Study of pathogenetic mechanisms of Parkinson's disease in neuronal cellular models

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is a complex neurodegenerative disorder affecting 2% of the world population over 65 years of age. PD is characterized by motor dysfunction related to the progressive loss of midbrain dopamine neurons while a wide range of non-motor symptoms are also present such as psychiatric manifestations and cognitive impairment. The neuropathological hallmark of PD is the presence of intracytoplasmic inclusions in neuronal cell bodies and neurites, respectively termed Lewy bodies and Lewy neurites. These are protein aggregates composed mainly of α-synuclein (αSyn), the major protein linked to sporadic PD. αSyn belongs to a class of intrinsically disordered amyloid proteins that form specific forms of oligomeric and fibrillar aggregates and exert neurotoxicity through various molecular pathways. Several point mutations (A30P, E46K, A53T, G51D) and multiplications of the SNCA locus encoding for αSyn cause autosomal dominant forms of PD. Among the different variants, the p.A53TαSyn mutation is generally considered to accelerate aggregation resulting in widespread accumulation of insoluble α-syn deposits that have been identified in the post-mortem p.A53T human brain. Despite extensive efforts in understanding PD pathogenesis, no disease modifying drugs exist. Currently only symptomatic or palliative treatments are available with none capable to prevent or slow-down disease progression. Dopamine-replacement drugs, such as levodopa, which was identified 55 years ago, are used to ameliorate motor symptoms and remain the primary and most effective treatment despite the undesired side-effects and deterioration of efficacy with disease progression. Therefore, the development of disease-modifying drugs is an urgent unmet need. Most present-day efforts in identifying novel PD therapeutics target the aggregation of misfolded αSyn as the major pathogenic factor that causes cellular toxicity. Alternative strategies to tackle early steps in neurodegeneration, particularly in an unbiased approach, have lagged behind. Recent advances in patient-derived induced pluripotent stem cell (iPSC)-based models for neurodegenerative diseases permit the detection of early, potentially triggering, pathologic phenotypes and provide amenable systems for drug discovery. In combination with high throughput high content screening technologies, these approaches open new perspectives for identification of disease modifying compounds. We have previously established a model of iPSC-derived neurons from patients with familial PD harboring the p.A53T αSyn mutation (G209A in the SNCA gene) that displays disease-relevant phenotypes at basal conditions .In this study, we successfully adapted this cellular system to perform the first small molecule screen on human p.A53T-neurons. Since several kinases have been implicated in PD pathology , we screened a collection of 273 small molecule kinase inhibitors to identify compounds with prospective neuroprotective properties. We discovered that the multi-kinase inhibitor BX795 significantly reverts disease-associated phenotypes. A single treatment of patient neurons with BX795 has sustainable effects in supporting neuritic growth, restoring axonal pathology and limiting αSyn protein aggregate formation. Protection from p.A53T-associated pathology was also confirmed in human iPSC-derived neurons in which the mutation was introduced by genome editing, against isogenic wild-type controls. Strikingly, proteomics profiling by quantitative mass spectrometry revealed that BX795 treatment results in significant downregulation of a cohort of 118 proteins that are abnormally upregulated in p.A53T-neurons. To our knowledge, this study represents the first high-content drug discovery screen and proteomics analysis performed in human p.A53T iPSC-derived neurons to identify candidate therapeutics for PD.The p.A53T proteome examined here revealed a profound increase in proteins related to the biological processes of RNA metabolism, protein synthesis, modification and transport, protein clearance and stress response. Our proteomics analysis identified perturbations in RNA metabolic processes that started from the nucleus and reached the ribosome. Alternative mRNA processing greatly increases the dimensions of gene expression through splicing, polyadenylation, targeted localization and posttranscriptional silencing. Neurons take advantage of all these strategies as the brain has the highest levels of alternative splicing compared to any other human tissue . This process has recently been shown to be defective in the PS19 Tau model of Alzheimer’s disease, where alternative splicing events affected genes particularly involved in synaptic transmission . Similarly, the p.A53T-proteome suggests that this process could be excessively induced in p.A53T-neurons as a number of RBPs known to be linked to αSyn aggregation have emerged, including ELAV1, ELAV3 and CELF, suggesting a possible association with the abnormal expression of synaptic genes and the defective synaptic connectivity we have previously reported in p.A53T neurons. An excess of mRNAs coming out of the nucleus in p.A53T-neurons could explain the abnormal expression of proteins involved in translation, the next step of mRNA processing. The significant increase of components of the tRNA splicing ligase complex, various aminoacyl-tRNA synthetases, ribosomal subunits and eukaryotic translation initiation factors indicate an enhanced translation of spliced mRNAs. Moreover, in post-mortem PD brains, region and stage-dependent alterations in the machinery of protein synthesis have been reported and have been associated with α-synuclein oligomers in remaining neurons. Dissecting further the pathways affected by BX795, we demonstrated that BX795 modulates the mTORC1 pathway to restrict excessive protein synthesis and facilitate autophagy. The mTOR kinase is a master regulator of cellular metabolism that functions in two distinct complexes: mTORC1 and mTORC2 with the first implicated in protein and lipid biosynthesis through a signaling cascade that includes SK6 and 4E-BP1 proteins. Unlike proliferating cells where this pathway is utilized for growth and division, in neurons it acts as a regulator of healthy metabolism and aging with its restriction being associated with prolonged life span and delay of age-related pathologies. p.A53T neurons have increased RPS6, IQGAP1 and RAG-GTPases, components of mTORC1 pathway and this seems to be associated with an increased translation of a subset of mRNAs that are linked to RNA metabolism and the stress response. Concomitantly with promoting protein synthesis mTORC1 acts to repress autophagy through ULK1 phosphorylation. Autophagy has a central role in promoting health and longevity while this process is impaired in neurodegenerative diseases and αSyn pathology . The p.A53T-proteome shows that neurons are under stress as proteins involved in the UPR or the heat-shock stress response, proteasome assembly and regulation, known to be orchestrated by mTORC1 in neurons, are significantly upregulated. Restoration of numerous components of RNA metabolism and protein translation cascades by BX795 is directly related to the diminished stress response that emerges by the lower levels of UPR and heat-shock-associated proteins also conferred by this molecule. In parallel, a significant number of ubiquitin/proteasome-associated proteins were brought back to near control levels suggesting that BX795 helps misfolded protein clearance by limiting protein synthesis. This is in agreement with its demonstrated ability to decrease protein aggregates in p.A53T-neurons, as shown in this study, along with facilitation of autophagy both in SYSH-5Y cells expressing p.A53T and in patient-derived neurons.BX795 is a multi-kinase inhibitor that targets numerous pathways, including the kinases TBK1 and PDK1. Although in our system differences in the total or phosphorylated levels of these two kinases were not observed in the presence of BX795, we cannot exclude that its effects are mediated through these two kinases as both are involved in neurodegeneration, mTOR signaling and autophagy. Interestingly, we found that BX795 could inhibit purified recombinant p70 S6K, the major kinase that phosphorylates RPS6 in vivo, indicating that the acute effect of the compound on RPS6 in p.A53T-expressing cells could be mediated through inhibition of p70 S6K. Considering that BX795 has been proposed to act through distinct mechanisms in different pathologies, future mechanistic studies should reveal its direct targets in p.A53T neurons. Nevertheless, the work presented here uniquely identifies BX795 as a promising compound that may have therapeutic potential for patients with PD and other protein conformational disorders. Further, our collective data along with previous proteomics and systems approaches shed light into the molecular and cellular pathways of αSyn proteotoxicity unveiling new disease targets for the development of combined therapeutics.

Η νόσος του Πάρκινσον (ΝΠ) είναι μια πολύπλοκη νευροεκφυλιστική διαταραχή που επηρεάζει το 2% του παγκόσμιου πληθυσμού άνω των 65 ετών. Η ΝΠ χαρακτηρίζεται από κινητικές διαταραχές που σχετίζονται με την προοδευτική απώλεια των ντοπαμινεργικών νευρώνων της συµπαγούς µοίρας της µέλαινας ουσίας, ενώ ένα ευρύ φάσμα μη κινητικών συμπτωμάτων είναι επίσης παρόντα, όπως ψυχιατρικές διαταραχές και νοητική δυσλειτουργία. Το νευροπαθολογικό χαρακτηριστικό της ΝΠ είναι η ανώμαλη εναποθέση πρωτεϊνών σε νευρικά κύτταρα και νευρίτες, που ονομάζονται αντιστοίχως σωμάτια και νευρίτες Lewy. Αυτά είναι πρωτεϊνικά συσσωματώματα που αποτελούνται κυρίως από την πρωτεΐνη α-συνουκλεΐνη, που είναι η κύρια πρωτεΐνη που συνδέεται με την σποραδική μορφή της νόσου. Η α-συνουκλεΐνη ανήκει στην κατηγορία αμυλοειδών πρωτεϊνών που σχηματίζουν ειδικές ολιγομερείς μορφές και συσσωματωμάτα με αποτέλεσμα να οδηγεί σε νευροτοξικότητα μέσω διαφόρων μοριακών οδών. Αρκετές σημειακές μεταλλάξεις (A30P, E46K, A53T, G51D) και διπλασιασμοί/τριπλασιασμοί του γονιδίου της α-συνουκλεΐνης ( SNCA) οδηγούν σε οικογενείς μορφές της νόσου. Μεταξύ των διαφόρων μεταλλάξεων, η μετάλλαξη Α53Τ παρουσιάζει μειωμένη διαλυτότητα, ύστερα από επώαση σε υδατικό διάλυμα, σε φυσιολογική θερμοκρασία και αυτό οδηγεί στην δημιουργία ινιδίων με αποτέλεσμα την εκτεταμένη συσσώρευση αδιάλυτων αποθέσεων στον ανθρώπινο εγκέφαλο.Παρά τις εκτεταμένες προσπάθειες για την κατανόηση της παθογένεσης της ΝΠ, δεν υπάρχουν φάρμακα για την θεραπεία της νόσου. Επί του παρόντος, διατίθενται μόνο συμπτωματικές ή ανακουφιστικές θεραπείες χωρίς καμία να είναι ικανή να αποτρέψει ή να επιβραδύνει την πρόοδο της νόσου. Η λεβοντόπα (σε συνδυασμό με καρβιντόπα/βενζεραζίδη) αποτελεί την πιο αποτελεσματική φαρμακευτική θεραπεία, η οποία εντοπίστηκε πριν από 55 χρόνια. Ωστόσο, η χρόνια χορήγηση της οδηγεί σε σοβαρές παρενέργειες. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη νέων φαρμάκων που να τροποποιούν την πορεία της νόσου είναι μια επείγουσα ανάγκη. Οι περισσότερες σύγχρονες προσπάθειες για τον εντοπισμό νέων θεραπειών στοχεύουν τη συσσώρευση της α-συνουκλεΐνης ως τον κύριο παθογόνο παράγοντα που προκαλεί κυτταρική τοξικότητα. Οι εναλλακτικές στρατηγικές για την αντιμετώπιση των πρώιμων σταδίων του νευροεκφυλισμού, ιδιαίτερα με αμερόληπτο τρόπο, έχουν προχωρήσει με σχετικά αργό ρυθμό. Οι πρόσφατες εξελίξεις στα μοντέλα της ασθένειας που βασίζονται στα επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα (iPSCs) που προέρχονται από ασθενείς, επιτρέπουν τον εντοπισμό πρώιμων παθολογικών φαινοτύπων και παρέχουν συστήματα για την ανακάλυψη νέων φαρμάκων. Σε συνδυασμό με τεχνολογίες ελέγχου υψηλής απόδοσης, αυτές οι προσεγγίσεις ανοίγουν νέες προοπτικές για την ανακάλυψη εν δυνάμει θεραπευτικών μορίων.Οι κινάσες έχουν αναδειχθεί ως ένας από τους πιο εντατικά διερευνώμενους φαρμακευτικούς στόχους στην τρέχουσα φαρμακολογική έρευνα, λόγω του κομβικού τους ρόλου στη διαμόρφωση ενός ευρέος φάσματος κυτταρικών διεργασιών. Μεγάλη προσπάθεια έχει καταβληθεί για την ανάπτυξη μορίων που στοχεύουν ειδικά το ανθρώπινο κίνωμα (human kinome). Μέχρι σήμερα, η πλειονότητα των μορίων παρουσιάζει ένα φάσμα αναστολέων των κινασών, με >250 να βρίσκονται σήμερα σε κλινικές δοκιμές και 48 να έχουν εγκριθεί από τον FDA των ΗΠΑ, κυρίως για τη θεραπεία κακοηθειών. Ενώ αρχικά η χρήση των αναστολέων κινασών επικεντρώθηκε στη θεραπεία του καρκίνου, πλέον συμπεριλαμβάνει ένα διευρυμένο φάσμα θεραπευτικών περιοχών, όπως οι αυτοάνοσες και φλεγμονώδεις νόσοι, καθώς και νευροεκφυλιστικές διαταραχές, συμπεριλαμβανομένης της ΝΠ.Καθώς το κύριο χαρακτηριστικό της ΝΠ είναι ο θάνατος των ντοπαμινεργικών νευρώνων της μέλανας ουσίας, στην παρούσα μελέτη εστιάζουμε στον εντοπισμό μορίων που ενισχύουν τη διαφοροποίηση και την επιβίωση αυτών των νευρώνων χρησιμοποιώντας ως πειραματικό μοντέλο τα επαγόμενα βλαστικά κύτταρα (iPS) από υγιή άτομα και από ασθενείς με ΝΠ που φέρουν την A53T μετάλλαξη στην α-συνουκλεΐνη (G209A στο γονίδιο SNCA).Χρησιμοποιήσαμε μια βιβλιοθήκη μικρών μορίων αναστολέων κινασών για να πραγματοποιήσουμε διαλογή υψηλού περιεχομένου προκειμένου να ανιχνεύσουμε μόρια που επάγουν τη διαφοροποίηση ή/και την επιβίωση των ντοπαμινεργικών νευρώνων και αναστρέφουν τη νευροεκφύλιση.Προηγούμενη μελέτη του εργαστηρίου οδήγησε στην δημιουργία ενός μοντέλου νευρώνων που προέρχονται από επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα ασθενών με οικογενή ΝΠ που φέρουν τη μετάλλαξη A53T της α-συνουκλεΐνης. Στο μοντέλο αυτό οι νευρώνες εμφανίζουν φαινοτύπους σχετικούς με τη νόσο, συμπεριλαμβανομένης της συσσώρευσης πρωτεϊνών, της μειωμένης νευριτικής ανάπτυξης και των παραμορφωμένων ή κατακερματισμένων νευραξόνων που περιέχουν α-συνουκλεΐνη και tau. Στην παρούσα μελέτη, προσαρμόσαμε επιτυχώς αυτό το κυτταρικό σύστημα σε πλάκες 384 φρεατίων για να πραγματοποιήσουμε την πρώτη σάρωση μικρών μορίων σε ανθρώπινους νευρώνες με την μετάλλαξη A53T. Δεδομένου ότι πολλές κινάσες έχουν εμπλακεί στην παθολογία της ΝΠ, εξετάσαμε μια συλλογή 273 αναστολέων κινασών για να ανακαλύψουμε ενώσεις με εν δυνάμει νευροπροστατευτικές ιδιότητες.Ανακαλύψαμε ότι ο αναστολέας πολλαπλών κινασών BX795 αναστρέφει σημαντικά τους φαινότυπους που σχετίζονται με τη νόσο. Μια μεμονωμένη δόση με BX795 παρέχει νευροπροστασία στους A53T νευρώνες βελτιώνοντας τη νευριτική ανάπτυξη, περιορίζοντας τα επίπεδα της παθολογικής α-συνουκλεΐνης και περιορίζοντας τον σχηματισμό συσσωματωμάτων, διατηρώντας παράλληλα την αξονική ακεραιότητα. Η νευροπροστασία επιβεβαιώθηκε επίσης σε ανθρώπινους νευρώνες που προέρχονται από iPSC στους οποίους η μετάλλαξη εισήχθη με επεξεργασία γονιδιώματος. Για τον εντοπισμό των κυτταρικών μονοπατιών που επηρεάζονται από το BX795, χρησιμοποιήσαμε μια αμερόληπτη προσέγγιση που βασίζεται στη συγκριτική πρωτεϊνική. Η αρχική σύγκριση μεταξύ A53T και νευρώνων ελέγχου απουσία BX795, αποκάλυψε διαφορική έκφραση 640 πρωτεϊνών από τις οποίες μόνο 67 εμφάνισαν μείωση, ενώ οι υπόλοιπες 573 αύξηση. Αυτή η μεγάλη αύξηση στην έκφραση πρωτεϊνών συνδέθηκε κυρίως με τις βιολογικές διεργασίες του μεταβολισμού του RNA, τη σύνθεση πρωτεϊνών, την τροποποίηση και μεταφορά, την αποικοδόμηση των πρωτεϊνών και την απόκριση στο στρες. Είναι ενδιαφέρον, ότι τα επίπεδα 118 πρωτεϊνών που βρίσκονται κυρίως εντός αυτών των βιολογικών διεργασιών και αντιπροσωπεύουν περίπου το 20% των συνολικών απορυθμισμένων πρωτεϊνών στους A53T νευρώνες, αποκαταστάθηκαν κατά τη θεραπεία με BX795. Η παρούσα μελέτη αποτελεί την πρώτη, καθόσον γνωρίζουμε, σάρωση υψηλού περιεχομένου και πρωτεϊνικής ανάλυσης που πραγματοποιήθηκε σε ανθρώπινους νευρώνες που προέρχονται από iPSC με την μετάλλαξη A53T για τον εντοπισμό νέων θεραπευτικών ουσιών για την ΝΠ.Αυτή η μελέτη αποτελεί την πρώτη μελέτη υψηλού περιεχομένου για την ανακάλυψη φαρμάκων που πραγματοποιείται σε ανθρώπινους νευρώνες που προέρχονται από A53T iPSC για τον εντοπισμό υποψήφιων θεραπευτικών ουσιών για την ΝΠ. Παρόλο που οι πρώτοι iPSC που προήλθαν από ασθενείς με ΝΠ δημιουργήθηκαν το 2009, παραδόξως μόνο δύο φαινοτυπικές σαρώσεις έχουν αναφερθεί μέχρι σήμερα σε νευρώνες που προήλθαν από iPSC για την ΝΠ. Για τον εντοπισμό τροποποιητικών παραγόντων της νόσου, οι Yamaguchi et al. καθιέρωσαν μια βασισμένη στην απεικόνιση, ημιαυτόματη, υψηλής απόδοσης δοκιμασία για την ποσοτική ανίχνευση της μιτοχονδριακής κάθαρσης και της κυτταρικής βιωσιμότητας σε ντοπαμινεργικούς νευρώνες από ασθενείς με οικογενή ΝΠ που έχουν μεταλλάξεις Parkin ή PINK1. Μετά από έλεγχο 320 φαρμακολογικά δραστικών ενώσεων αναστολέων οι ερευνητές εντόπισαν 4 ουσίες, την MRS1220, την τρανυλκυπρομίνη, τη φλουναριζίνη και τη βρωμοκρυπτίνη, οι οποίες βελτίωσαν την παθολογική κάθαρση των μιτοχονδρίων πιθανώς προωθώντας τη μιτοχονδριακή αποικοδόμηση μέσω του λυσοσωματικού συστήματος, χωρίς να διερευνήσουν περαιτέρω τον υποκείμενο μηχανισμό. Σε μια άλλη μελέτη οι Tabata κ.ά. πραγματοποίησαν φαινοτυπική διαλογή σε ντοπαμινεργικούς νευρώνες που προέρχονται από ασθενείς με Parkin (PARK2) και εμφανίζουν αυξημένη ευαισθησία στο μιτοχονδριακό στρες που προκαλείται από τη ροτενόνη, για τον εντοπισμό νευροπροστατευτικών ενώσεων. Από τη φαινοτυπική διαλογή μιας εγκεκριμένης από τον FDA βιβλιοθήκης φαρμάκων, βρέθηκε ότι ένας ανταγωνιστής των διαύλων ασβεστίου, η βενιδιπίνη, καταστέλλει την απόπτωση που προκαλείται από τη ροτενόνη. Η μελέτη μας είναι η τρίτη φαινοτυπική διαλογή που πραγματοποιείται σε ανθρώπινους νευρώνες που προέρχονται από iPSC στον τομέα της ΝΠ και η μόνη που σχετίζεται με την A53T παθολογία.Τα μονοπάτια που επηρεάζονται από τη μεταλλαγμένη α-συνουκλεΐνη στη μελέτη μας έχουν μεγάλη ομοιότητα με το συνάπτωμα που αναφέρθηκε από τους Chung et al για νευρώνες ποντικών και τις προβλέψεις του in silico "ανθρωποποιημένου" χάρτη της πρωτεοτοξικότητας που αναφέρθηκε στη συνοδευτική μελέτη των Khurana et al.Αναλύοντας περαιτέρω τις οδούς που επηρεάζονται από το BX795, αποδείξαμε ότι το BX795 ρυθμίζει την οδό mTORC1 για τον περιορισμό της υπερβολικής πρωτεϊνοσύνθεσης και τη διευκόλυνση της αυτοφαγίας. Επιπλέον, τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η αποκατάσταση της πρωτεόστασης που ακολουθεί την σηματοδότηση mTOR μπορεί να έχει μακροπρόθεσμες ευεργετικές συνέπειες στην κυτταρική υγεία, υποκινώντας μόνιμες βασικές αλλαγές.Η κινάση mTOR είναι ένας κύριος ρυθμιστής του κυτταρικού μεταβολισμού που λειτουργεί σε δύο διακριτά σύμπλοκα: mTORC1 και mTORC2 με το πρώτο να εμπλέκεται στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών και λιπιδίων μέσω ενός καταρράκτη σηματοδότησης που περιλαμβάνει τις πρωτεΐνες SK6 και 4E-BP1 . Σε αντίθεση με τα πολλαπλασιαζόμενα κύτταρα όπου το μονοπάτι αυτό χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη και τη διαίρεση, στους νευρώνες δρα ως ρυθμιστής του υγιούς μεταβολισμού και της γήρανσης με τον περιορισμό του να σχετίζεται με την παράταση της διάρκειας ζωής και την καθυστέρηση των παθολογιών που σχετίζονται με την ηλικία. Οι A53T νευρώνες έχουν αυξημένες RPS6, IQGAP1 και RAG-GTPases, συστατικά του μονοπατιού mTORC1 και αυτό φαίνεται να σχετίζεται με αυξημένη μετάφραση ενός υποσυνόλου mRNAs που σχετίζονται με τον μεταβολισμό του RNA και την απόκριση στο στρες. Ομοίως, μια μελέτη ποσοτικής πρωτεομικής σε ένα προ-συμπτωματικό μοντέλο A53T Drosophila δείχνει σημαντική ρύθμιση των ριβοσωμικών πρωτεϊνών στις A53T μύγες. Παρόλο που η μηχανιστική σύνδεση μεταξύ της A53T α-συνουκλεΐνης και του mTORC1 δεν έχει ακόμη τεκμηριωθεί, πρόσφατα στοιχεία δείχνουν ότι η γενετική ποικιλομορφία στο μονοπάτι mTOR συμβάλλει στις επιδράσεις του γονιδίου SNCA στην παθογένεια της νόσου.Ταυτόχρονα με την προώθηση της πρωτεϊνοσύνθεσης ο mTORC1 δρα για την καταστολή της αυτοφαγίας μέσω της φωσφορυλίωσης του ULK1. Η αυτοφαγία έχει κεντρικό ρόλο στην προαγωγή της υγείας και της μακροζωίας, ενώ η διαδικασία αυτή διαταράσσεται στις νευροεκφυλιστικές νόσους και στην παθολογία αSyn. Το A53T-πρωτέωμα δείχνει ότι οι νευρώνες βρίσκονται υπό στρες, καθώς οι πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην UPR ή στην απόκριση στρες λόγω θερμικού σοκ, στη συναρμολόγηση και ρύθμιση του πρωτεασώματος, που είναι γνωστό ότι ενορχηστρώνεται από το mTORC1 στους νευρώνες, είναι σημαντικά ρυθμισμένες. Η αποκατάσταση πολυάριθμων συστατικών του μεταβολισμού του RNA και των καταρρακτών πρωτεϊνικής μετάφρασης από το BX795 σχετίζεται άμεσα με τη μειωμένη απόκριση στο στρες που προκύπτει από τα χαμηλότερα επίπεδα των πρωτεϊνών που σχετίζονται με την UPR και το θερμικό σοκ που επίσης προσδίδονται από αυτό το μόριο. Παράλληλα, ένας σημαντικός αριθμός πρωτεϊνών που σχετίζονται με την ουβικουιτίνη/πρωτεάσωμα επανήλθε σε επίπεδα σχεδόν ελέγχου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τόσο το σύστημα ουβικουιτίνης/πρωτεασώματος όσο και η αυτοφαγία μοιράζονται πολλαπλούς μοριακούς καθοριστικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των ULK1, ATG5, ATG8 και p62, οι οποίοι μπορούν να επηρεαστούν ταυτόχρονα και αμοιβαία στις νευροεκφυλιστικές νόσους, καθίσταται προφανές ότι το BX795 βοηθά στην εκκαθάριση των κακώς διπλωμένων πρωτεϊνών περιορίζοντας την πρωτεϊνοσύνθεση. Αυτό συμφωνεί με την αποδεδειγμένη ικανότητά του να μειώνει τα συσσωματώματα πρωτεϊνών σε p.A53T-νευρώνες, όπως φάνηκε στην παρούσα μελέτη, μαζί με τη διευκόλυνση της αυτοφαγίας τόσο σε κύτταρα SYSH-5Y που εκφράζουν την A53T α-συνουκλεΐνη όσο και σε νευρώνες που προέρχονται από ασθενείς.Το BX795 είναι ένας αναστολέας πολλαπλών κινασών που στοχεύει πολυάριθμες οδούς, συμπεριλαμβανομένων των κινασών TBK1 και PDK1. Παρόλο που στο σύστημά μας δεν παρατηρήθηκαν διαφορές στα συνολικά ή φωσφορυλιωμένα επίπεδα αυτών των δύο κινασών παρουσία του BX795 (τα δεδομένα δεν παρουσιάζονται), δεν μπορούμε να αποκλείσουμε ότι οι επιδράσεις του διαμεσολαβούνται μέσω αυτών των δύο κινασών, καθώς και οι δύο εμπλέκονται στη νευροεκφύλιση, τη σηματοδότηση mTOR και την αυτοφαγία. Ωστόσο, τέσσερις άλλοι αναστολείς της PDK1 που περιλαμβάνονταν στη βιβλιοθήκη Selleck δεν αναδείχθηκαν κατά τη διάρκεια της διαλογής. Η TBK1 προτάθηκε πρόσφατα ως ένας νέος παράγοντας που συνδέει την αυτοφαγία και τη νευροφλεγμονή στην ALS και έχει αποδειχθεί ότι ενεργοποιεί άμεσα το mTOR σε απόκριση σε αυξητικούς παράγοντες. Είναι ενδιαφέρον ότι διαπιστώσαμε ότι το BX795 μπορούσε να αναστείλει την καθαρισμένη ανασυνδυασμένη p70 S6K, τη σημαντικότερη κινάση που φωσφορυλιώνει την RPS6 in vivo, υποδεικνύοντας ότι η οξεία επίδραση της ένωσης στην RPS6 σε κύτταρα που εκφράζουν p.A53T θα μπορούσε να μεσολαβείται μέσω της αναστολής της p70 S6K. Είναι αξιοσημείωτο ότι πολλαπλοί άλλοι αναστολείς της φωσφορυλίωσης του mTOR που υπάρχουν στη βιβλιοθήκη αναστολέων κινάσης που εξετάστηκε (26 συνολικά, συμπεριλαμβανομένης της ραπαμυκίνης), απέτυχαν να επιδείξουν προστατευτικές επιδράσεις στο σύστημά μας. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το BX795 έχει προταθεί να δρα μέσω διαφορετικών μηχανισμών σε διαφορετικές παθολογίες, μελλοντικές μηχανιστικές μελέτες θα πρέπει να αποκαλύψουν τους άμεσους στόχους του στους A53T νευρώνες. Το κατά πόσον αυτοί βρίσκονται εντός ή εκτός του κινώματος είναι ένα θέμα προς διερεύνηση, καθώς τα αναδυόμενα στοιχεία υποδεικνύουν ότι οι αναστολείς κινάσης μπορεί ακούσια να ασκούν τη θεραπευτική τους δράση μέσω μη κινάσης στόχων. Συλλογικά, η εργασία που παρουσιάζεται εδώ προσδιορίζει το BX795 ως μια πολλά υποσχόμενη ένωση με θεραπευτικό δυναμικό για ασθενείς με ΝΠ και άλλες διαταραχές διαμόρφωσης πρωτεϊνών. Περαιτέρω, η πειραματική μας προσέγγιση έριξε φως στα μοριακά και κυτταρικά μονοπάτια της πρωτεοτοξικότητας αποκαλύπτοντας νέους στόχους νόσου για την ανάπτυξη συνδυασμένων θεραπευτικών ουσιών.Οι πραγματικές μεταφραστικές δυνατότητες των πλατφορμών iPSC που προέρχονται από ασθενείς μόλις αναδύονται, καθώς πραγματοποιούνται περισσότερες αμερόληπτες σαρώσεις φαρμάκων μεγάλης κλίμακας. Οι εργασίες που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής καταδεικνύουν ότι οι ανθρώπινοι νευρώνες με φαινοτυπικά χαρακτηριστικά που σχετίζονται με ασθένειες μπορούν να προσαρμοστούν αποτελεσματικά για χρήση σε σαρώσεις φαρμάκων υψηλής απόδοσης. Οι τρέχουσες εξελίξεις στον τομέα της τεχνολογίας iPSC, συμπεριλαμβανομένων βελτιωμένων πρωτοκόλλων για τη διαφοροποίηση των νευρώνων, της ανάπτυξης συστημάτων συν-καλλιέργειας και τρισδιάστατων (3D) συστημάτων ή της χρήσης μικρορρευστονικής ή τσιπ συσκευών brain-on-chip, θα μπορούσαν να συνδυαστούν με το τρέχον κυτταρικό σύστημα που περιγράφεται εδώ, ώστε να αυξηθεί η αξία του σε προσεγγίσεις διαλογής υψηλής απόδοσης. Μια σημαντική προσθήκη στον έλεγχο βιβλιοθηκών ενώσεων θα ήταν να συμπεριληφθούν ενδείξεις ανάγνωσης της λειτουργικότητας των νευρώνων, όπως για παράδειγμα η αξιολόγηση ηλεκτροφυσιολογικών παραμέτρων με συστήματα συστοιχιών πολλαπλών ηλεκτροδίων υψηλής απόδοσης. Σε συνδυασμό με βιβλιοθήκες siRNA σε όλο το γονιδίωμα, μηχανική μάθηση και καλύτερα εργαλεία πρόβλεψης in silico, τέτοιες πλατφόρμες μπορούν να αξιοποιηθούν περαιτέρω για την επιλογή νέων, αποτελεσματικότερων και ασφαλέστερων φαρμάκων που θα εισέλθουν με εμπιστοσύνη στις κλινικές δοκιμές.Είναι σημαντικό ότι η μελέτη μας υποστηρίζει ότι οι πλατφόρμες που βασίζονται σε ανθρώπινα iPSC και χρησιμοποιούνται στην πρώιμη ανακάλυψη φαρμάκων μπορούν επίσης να συμβάλουν στην αποκάλυψη μηχανισμών ασθενειών. Θα μπορούσαμε έτσι να εντοπίσουμε ένα νευροπροστατευτικό μόριο που διασώζει βασικές μεταβολικές οδούς, απαραίτητες για τη νευρωνική λειτουργία. Περαιτέρω μελέτες in vitro και in vivo σε μοντέλα ΝΠ, θα πρέπει να παράσχουν πρόσθετη εικόνα του μηχανισμού δράσης και της αποτελεσματικότητας του BX795 για να αποκαλύψουν πλήρως το μεταφραστικό δυναμικό του ως κορυφαίο θεραπευτικό φάρμακο για την ΝΠ.Συμπερασματικά, πολλές σειρές hiPSC έχουν παραχθεί από ασθενείς με οικογενή ή σποραδική ΝΠ αποκαλύπτοντας γνωστούς ή προηγουμένως μη αναγνωρισμένους φαινότυπους σχετικούς με τη νόσο, οι οποίοι, σε πολλές περιπτώσεις, θα μπορούσαν να αποκατασταθούν αποτελεσματικά με τη χρήση μικρών μορίων. Αυτές οι έρευνες έχουν θέσει το υπόβαθρο για την ανάπτυξη βιοδοκιμών για τον έλεγχο μικρών ή μεγαλύτερων χημικών βιβλιοθηκών σε αναζήτηση κύριων ενώσεων που μπορεί να εξελιχθούν σε θεραπευτικά προϊόντα που τροποποιούν τη ΝΠ. Ωστόσο, πρέπει ακόμη να καθιερωθούν ισχυρές δοκιμασίες προτού τα συστήματα που βασίζονται σε iPSC γίνουν πιο εύκολα προσιτά σε τεχνολογίες υψηλής απόδοσης. Εν τω μεταξύ, αναπτύσσονται πιο προηγμένα συστήματα συν-καλλιέργειας που περιλαμβάνουν νευρώνες και γλοιακά κύτταρα ή τρισδιάστατα εγκεφαλικά οργανοειδή που μιμούνται περισσότερο την in vivo ανθρώπινη κατάσταση, για να βοηθήσουν στις μελέτες της ΝΠ και στην ανακάλυψη φαρμάκων. Σημαντική είναι επίσης η ανάγκη για λειτουργικές δοκιμασίες για την πρόβλεψη της αποτελεσματικότητας των φαρμάκων, ενώ οι τεχνολογικές εξελίξεις καθιστούν πιο εφικτές τις πολύπλοκες σαρώσεις μορίων. Τέλος, η εμφάνιση της τεχνητής νοημοσύνης τα τελευταία χρόνια μπορεί να αποδειχθεί μια τεχνολογία που θα αλλάξει τα δεδομένα στην ανακάλυψη φαρμάκων. Παρ' όλα αυτά, οι ευκαιρίες και οι προκλήσεις παραμένουν ακόμη μπροστά μας προτού αυτές οι νέες τεχνολογίες καρποφορήσουν για την κατανόηση και τη θεραπεία του νευροεκφυλισμού στη ΝΠ.