How does ALS pathology spread to affect healthy neurons? Recapitulation of disease progression in multi-nodal neural networks in vitro

Abstract

Amyotrofisk lateral sklerose (ALS) er en nevrodegenerativ sykdom som påvirker øvre og nedre motornevroner, hvilket fører til en gradvis lammelse av muskler og som til slutt resulterer i død på grunn av respirasjonssvikt. Forskning på de genetiske mutasjonene som forårsaker ALS har i løpet av de siste tiårene avdekket flere underliggende sykdomsmekanismer som også har implikasjoner for sporadiske tilfeller av sykdommen. Det er likevel fortsatt uvisst hvordan sykdommen sprer seg til å påvirke flere og flere motornevroner. Tradisjonell forskning på ALS har i stor grad vært basert på dyremodeller, men nylige teknologiske og genetiske fremskritt har gjort in vitro celle-baserte modeller til en lovende tilnærming for å studere sykdomsmekanismer i ALS. Her brukte vi 3-nodale mikrofluidiske brikker med mikroelektroder for å skape en «laboratorie på chip»-plattform som kan brukes til observasjon av den elektrofysiologiske aktiviteten til strukturerte nevrale nettverk. Med denne modellen som grunnlag utførte vi tre eksperimenter. Først etablerte vi strukturerte nevrale nettverk med kortikale nevroner fra rotter, og perturberte en av nodene med NMDA for å studere effektene av spredningen av en slik perturbering på den elektrofysiologiske aktiviteten og synkroniseringen av aktiviteten i nettverket. Vi fant at overaktivering i en av nodene førte til økt synkronisering gjennom hele nettverket. Videre brukte vi en mikroelektrode-plattform for å utforske forskjellene i den elektrofysiologiske aktiviteten til nevroner fra friske individer og fra ALS-pasienter før og etter stress-fremkallende hypoksi. Aktivitetsnivået i ALS-nevronene var veldig lavt og vi fant dermed ingen klare forskjeller ettersom det ble vanskelig å sammenligne mellom de to gruppene. Til slutt etablerte vi strukturerte 3-nodale nevrale nettverk med direkte reprogrammerte humane fibroblaster fra en ALS-pasient i en av de perifere nodene, og fra friske individer i de to andre nodene (ALS-frisk-frisk), for å studere spredningen av endret aktivitet forårsaket av ALS-nevronene. De direkte reprogrammerte fibroblastene utviklet seg ikke til modne nevroner og formet ikke aksoner og forbindelser mellom nodene. Konklusjonen av dette arbeidet er at denne modellen er relevant for utforskningen av forholdet mellom struktur og funksjon i nevrale nettverk, og hvordan dette forholdet former spredningen av nevrodegenerative sykdommer, men mange utfordringer gjenstår før denne modellen når sitt fulle potensial.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease affecting upper and lower motor neurons, resulting in a gradual weakening of voluntary muscles and eventually leading to death due to respiratory failure. Research on the genetic mutations causing ALS over the past decades has revealed several underlying disease mechanisms which also have implications for sporadic cases. Yet, exactly how the disease progresses to affect more and more motor neurons remains largely unknown. Traditional research on ALS has been mostly dependent on animal models, however, recent technological and genetic advances have made in vitro cell-based models a promising approach for the study of disease mechanisms in ALS. To this end we used 3-nodal microfluidic devices with microelectrode array (MEA) interface to create a lab-on-a-chip platform that can be used to monitor the electrophysiological activity generated by structured neural networks. With this model as a base, we performed three experiments. First, we established structured neural networks with rat cortical neurons, and perturbed one of the nodes with NMDA to assess the effects of the spread of perturbations in terms of altered electrophysiological activity and synchronization across the network. We found that overactivation in one of the fluidically isolated nodes caused increased synchronization across the entire network. Secondly, we used an MEA platform to examine differences in the electrophysiological activity of healthy and ALS patient-specific IPSC-derived neurons in single networks at baseline and in response to stress-inducing hypoxic conditions. The activity level of the ALS-specific neurons was very low, and due to issues with correct differentiation of these cells it was difficult to compare them to the healthy controls. Finally, we established structured 3-nodal neural networks with directly reprogrammed motor neurons from human adult fibroblasts from a patient with confirmed ALS in one of the peripheral nodes, and from healthy individuals in the other two nodes (ALS-healthy-healthy), to study the spread of altered activity caused by the ALS-specific neurons. The directly reprogrammed fibroblasts did not develop into fully mature neurons and did not form axonal connections between the nodes. The conclusion of this work is that this model is relevant for the investigation of structure-function dynamics of neural networks and how such dynamics shape the spread of neurodegenerative disease, however, many challenges remain before this approach reaches its full potential.