БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 11, с. 1610–1621

УДК 576.3/7; 577.17.02

Применение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека для оценки нейропротекторной активности фармакологических соединений

© 2019 Е.В. Новосадова 1 *, Е.Л. Арсеньева 1, С.А. Антонов 1, Ю.Н. Ванюшина 1, Т.В. Малова 1, А.А. Комиссаров 1, С.Н. Иллариошкин 2, Л.Г. Хаспеков 2, Л.А. Андреева 1, Н.Ф. Мясоедов 1, В.З. Тарантул 1 **, И.А. Гривенников 1 *,**

Институт молекулярной генетики РАН, 123182 Москва, Россия; электронная почта: novek-img@mail.ru

Научный центр неврологии, 125367 Москва, Россия; электронная почта: grivigan@mail.ru

Поступила в редакцию 20.06.2019
После доработки 23.07.2019
Принята к публикации 06.08.2019

DOI: 10.1134/S0320972519110071

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: тест-система, цитотоксичность, нейропротекция, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, окислительный стресс, эндоканнабиноиды, меланокортины.

Аннотация

Создание лекарственных препаратов включает целый ряд стадий, начиная от синтеза химических соединений, их тестирования на различных моделях с отбором наиболее активных и безопасных, до клинических испытаний и внедрения лекарственного препарата в медицинскую практику. Среди используемых моделей важное место занимают культуры клеток животных, как первичные, так и трансформированные. Однако эти клетки имеют целый ряд недостатков, среди которых в первую очередь следует отметить недостаточную стандартизацию в случае первичных культур и нарушения в генотипе клеток в случае трансформированных культур. Получение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) человека открыло новые возможности для создания тест-систем для масштабного скрининга потенциальных лекарственных средств с разным спектром действия. Благодаря своей способности дифференцироваться во все клетки взрослого организма ИПСК являются уникальной моделью, позволяющей изучать действие тестируемых соединений и их потенциальную токсичность на всем протяжении процесса дифференцировки in vitro. В настоящей работе на примере двух классов соединений — представителей меланокортинов и эндоканнабиноидов — продемонстрирована эффективность использования ИПСК и их дифференцированных в нейрональном направлении производных для отбора соединений с нейропротекторной активностью. Показано, что все испытанные соединения не обладали цито- и эмбриотоксичностью. В условиях токсического действия перекиси водорода представители меланокортинов и эндоканнабиноидов способны оказывать нейропротекторное действие на нейрональные предшественники и дифференцированные нейроны, полученные из ИПСК. Наибольшим нейропротекторным эффектом (~70%) в дифференцированных культурах, обогащенных дофаминергическими нейронами, обладал представитель эндоканнабиноидов N-докозагексаноилдофамин. Эффект семакса — представителя семейства меланокортинов — в этих условиях составил ~40%. Обсуждается возможность использования других производных ИПСК для поиска соединений с нейропротекторной активностью.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

** Автор является выпускником кафедры биохимии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 17-04-01661а) и программы Президиума РАН «Фундаментальные исследования для биомедицинских технологий» с использованием оборудования Центра коллективного пользования ИМГ РАН «Центр клеточных и генных технологий».

Благодарности

Авторы выражают искреннюю признательность В.В. Безуглову (Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН) за предоставление эндоканнабиноидов для проведения работы.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей и использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Гривенников И.А., Долотов О.В., Иноземцева Л.С., Антонов С.А., Кобылянский А.Г., Мясоедов Н.Ф. (2011) Применение первичных культур нервных и глиальныx клеток млекопитающих для отбора соединений с нейропротекторной активностью, Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова, 7, 24–31.

2. Новосадова Е.В., Гривенников И.А., Бобрышева И.В., Григоренко А.П., Андреева Л.А., Рогаев Е.И., Тарантул В.З. (2012) Семакс положительно влияет на жизнеспособность клеток трансгенной линии феохромацитомы РС12, несущей мутантный ген пресенилина 1 человека, Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова, 8, 15–21.

3. Шефер К., Шпильманн Х., Феттер К. (2010) В кн. Лекарственная терапия в период беременности и лактации (под ред. Романова Б.К.), Логосфера, Москва, 768 с.

4. Kalter, H. (2003) Teratology in the 20th century: environmental causes of congenital malformations in humans and how they were established, Neurotoxicol. Teratol., 25, 131–282.

5. Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita, M., Ichisaka, T., Tomoda, K., and Yamanaka, S. (2007) Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors, Cell, 131, 861–872, doi: 10.1016/j.cell.2007.11.019.

6. Elitt, M.S., Barbar, L., and Tesar, P.J. (2018) Drug screening for human genetic diseases using iPSC models, Hum. Mol. Genet., 27, R89–R98, doi: 10.1093/hmg/ddy186.

7. Piccinno, M.S., Petrachi, T., Resca, E., Strusi, V., Bergamini, V., Mulas, G.A., Mari, G., Dominici, M., and Veronesi, E. (2018) Label-free toxicology screening of primary human mesenchymal cells and iPS-derived neurons, PLoS One, 13, e0201671, doi: 10.1371/journal.pone.0201671.

8. Vu, M., Li, R., Baskfield, A., Lu, B., Farkhondeh, A., Gorshkov, K., Motabar, O., Beers, J., Chen, G., Zou, J., Espejo-Mojica, A.J., Rodriguez-Lopez, A., Almeciga-Diaz, C.J., Barrera, L.A., Jiang, X., Ory, D.S., Marugan, J.J., and Zheng, W. (2018) Neural stem cells for disease modeling and evaluation of therapeutics for Tay–Sachs disease, Orphanet. J. Rare Dis., 13, 152, doi: 10.1186/s13023-018-0886-3.

9. Cota-Coronado, A., Ramirez-Rodriguez, P.B., Padilla-Camberos, E., Diaz, N.F., Flores-Fernandez, J.M., Avila-Gonzalez, D., and Diaz-Martinez, N.E. (2018) Implications of human induced pluripotent stem cells in metabolic disorders: from drug discovery toward precision medicine, Drug Discov. Today, 24, 334–341, doi: 10.1016/j.drudis.2018.10.001.

10. Новосадова Е.В., Андреева Л.А., Арсеньева Е.Л., Гривенников И.А., Иллариошкин С.Н., Лебедева О.С., Макарова И.В., Мануилова Е.С., Мясоедов Н.Ф., Тарантул В.З. (2016) Применение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека для оценки цито- и эмбриотоксических свойств фармакологических соединений, Патент РФ № 2599847 C1.

11. Новосадова Е.В., Андреева Л.А., Арсеньева Е.Л., Грефенштейн М.А., Гривенников И.А., Иллариошкин С.Н., Иноземцева Л.С., Лебедева О.С., Мануилова Е.С., Мясоедов Н.Ф. (2018) Способ оценки нейропротекторных свойств веществ in vitro и тест-система для его осуществления, Патент РФ № 2646446 C1.

12. Novosadova, E.V., Nekrasov, E.D., Chestkov, I.V., Surdina, A.V., Vasina, E.M., Bogomazova, A.N., Manuilova, E.S., Arsenyeva, E.L., Simonova, V.V., Konovalova, E.V., Fedotova, E.Yu., Abramycheva, N. Yu., Khaspekov, L.G., Grivennikov, I.A., Tarantul, V.Z., Kiselev, S.L., and Illarioshkin, S.N. (2016) A platform for studying molecular and cellular mechanisms of Parkinson’s disease based on human indused pluripotent stem cells, Sovremennye tehnologii v medicine, 8, 155–164.

13. Новосадова Е.В., Мануилова Е.С., Арсеньева Е.Л., Андреева Л.А., Лебедева О.С., Гривенников И.А., Мясоедов Н.Ф. (2016) Изучение влияния альфа-меланоцитстимулирующего гормона на пролиферацию и начальные стадии дифференцировки индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, Доклады Академии наук, 467, 607–611.

14. Novosadova, E.V., Arsenyeva, E.L., Manuilova, E.S., Khaspekov, L.G., Bobrov, M.Y., Bezuglov, V.V., Illarioshkin, S.N., and Grivennikov, I.A. (2017) Neuroprotective properties of endocannabinoids N-arachidonoyl dopamine and N-docosahexaenoyl dopamine examined in neuronal precursors derived from human pluripotent stem cells, Biochemistry (Moscow), 82, 1367–1372, doi: 10.1134/S0006297917110141.

15. Asmarin, I.P., Nezavibat’ko, V.N., Miasoedov, N.F., Kamenskii, A.A., Grivennikov, I.A., Ponomareva-Stepnaia, M.A., Andreeva, L.A., Kaplan, A.Ia., Koshelev, V.B., and Riasina, T.V. (1997) A nootropic adrenocorticotropin analog 4-10-semax (15 years experience in its design and study), Zh. Vyssh. Nerv. Deiat. Im. I. P. Pavlova, 47, 420–430.

16. Miasoedov, N.F., Skvortsova, V.I., Nasonov, E.L., Zhuravleva, E.Iu., Grivennikov, I.A., Arsenyeva, E.L., and Sukhanov, I.I. (1999) Investigation of mechanisms of neuro-protective effect of semax in acute period of ischemic stroke, Zh. Nevrol. Psikhiatr. Im. S. S. Korsakova, 99, 15–19.

17. Новосадова Е.В., Гривенников И.А. (2014) Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки: от получения до применения в биохимических и биомедицинских исследованиях, Успехи биологической химии, 54, 3–38.

18. Cayo, M.A., Mallanna, S.K., and Di Furio, F. (2017) A drug screen using human iPSC-derived hepatocyte-like cells reveals cardiac glycosides as a potential treatment for hypercholesterolemia, Stem Cell, 20, 478–489, doi: 10.1016/j.stem.2017.01.011.

19. Del’Alamo, J.C., Lemons, D., and Serrano, R. (2016) High throughput physiological screening of iPSC-derived cardiomyocytes for drug development, Biochim. Biophys. Acta, 1863, 1717–1727.

20. Malik, N., Efthymiou, A.G., Mather, K., Chester, N., Wang, X., Nath, A., Rao, M.S., and Steiner, J.P. (2014) Compounds with species and cell type specific toxicity identified in a 2000 compound drug screen of neural stem cells and rat mixed cortical neurons, Neurotoxicology, 45, 192–200, doi: 10.1016/j.neuro.2014.10.007.

21. Peng, J., Liu, Q., Rao, M.S., and Zeng, X. (2013) Using human pluripotent stem cell-derived dopaminergic neurons to evaluate candidate Parkinson’s disease therapeutic agents in MPP+ and rotenone models, J. Biomol. Screen, 18, 522–533, doi: 10.1177/1087057112474468.

22. Little, D., Ketteler, R., Gissen, P., and Devine, M.J. (2019) Using stem cell-derived neurons in drug screening for neurological diseases, Neurobiol. Aging, 78, 130–141, doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2019.02.008.

23. Garcia-Leon, J.A., Vitorica, J., and Gutierrez, A. (2019) Use of human pluripotent stem cell-derived cells for neurodegenerative disease modeling and drug screening platform, Future Med. Chem., 11, 1305–1322, doi: 10.4155/fmc-2018-0520.

24. Desbaillets, I., Ziegler, U., Groscurth, P., and Gassmann, M. (2000) Embryoid bodies: an in vitro model of mouse embryogenesis, Exp. Physiol., 85, 645–651.

25. Bobrov, M.Y., Lizhin, A.A., Andrianova, E.L., Gretskaya, N.M., Frumkina, L.E., Khaspekov, L.G., and Bezuglov, V.V. (2008) Antioxidant and neuroprotective properties of N-arachidonoyldopamine, Neurosci. Lett., 431, 6–11.

26. Bobrov, M.Y., Lyzhin, A.A., Andrianova, E.L., Gretskaya, N.M., Zinchenko, G.N., Frumkina, L.E., Khaspekov, L.G., and Bezuglov, V.V. (2006) Antioxidant and neuroprotective properties of N-docosahexaenoyl dopamine, Bull. Exp. Biol. Med., 142, 425–427.

27. Niu, N., and Wang, L. (2015) In vitro human cell line models to predict clinical response to anticancer drugs, Pharmacogenomics, 16, 273–285, doi: 10.2217/pgs.14.170.

28. Бобров М.Ю., Безуглов В.В., Хаспеков Л.Г., Иллариошкин С.Н., Новосадова Е.В., Гривенников И.А. (2017) Экспрессия каннабиноидных рецепторов 1-го типа на разных этапах нейрональной дифференцировки фибробластов человека, Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 163, 272–275.

29. Vendel, E., and de Lange, E.C. (2014) Functions of the CB1 and CB2 receptors in neuroprotection at the level of the blood-brain barrier, Neuromolecular Med., 16, 620–642, doi: 10.1007/s12017-014-8314-x.

30. Hauser, D.N., and Cookson, M.R. (2011) Astrocytes in Parkinson’s disease and DJ-1, J. Neurochem., 117, 357–358.

31. Krencik, R., and Ullian, E.M. (2013) A cellular star atlas: using astrocytes from human pluripotent stem cells for disease studies, Front. Cell. Neurosci., 7, 25, doi: 10.3389/fncel.2013.00025.

32. Di Domenico, A., Carola, G., Calatayud, C., Pons-Espinal, M., Munoz, J.P., Richaud-Patin, Y., Fernandez-Carasa, I., Gut, M., Faella, A., Parameswaran, J., Soriano, J., Ferrer, I., Tolosa, E., Zorzano, A., Cuervo, A.M., Raya, A., and Consiglio, A. (2019) Patient-specific iPSC-derived astrocytes contribute to non-cell-autonomous neurodegeneration in Parkinson’s disease, Stem Cell Reports, 12, 213–229, doi: 10.1016/j.stemcr.2018.12.011.

33. Lancaster, M.A., Renner, M., and Martin, C.-A. (2013) Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, Nature, 501, 373–379, doi: 10.1038/nature12517.

34. Amin, N.D., and Pas, S.P. (2018) Building models of brain disorders with three-dimensional organoids, Neuron, 100, 389–405, doi: 10.1016/j.neuron.2018.10.007.

35. Bordoni, M., Rey, F., Fantini, V., Pansarasa, O., Di Giulio, A.M., Carelli, S., and Cereda, C. (2018) From neuronal differentiation of iPSCs to 3D neuro-organoids: modelling and therapy of neurodegenerative diseases, Int. J. Mol. Sci., 19, 3972, doi: 10.3390/ijms19123972.

36. Eremeev, A.V., Volovikov, E.A., Shuvalova, L.D., Davidenko, A.V., Khomyakova, E.A., Bogomiakova, M.E., Lebedeva, O.S., Zubkova, O.A., and Lagarkova, M.A. (2019) Necessity is the mother of invention or inexpensive, reliable, and reproducible protocol for generating organoids, Biochemistry (Moscow), 84, 321–328, doi: 10.1134/S0006297919030143.

37 McArdle, P., Engberg, S., Bennett, N., Blackett, C., and Wigglesworth, M. (2017) Enabling 1536-well high-throughput cell-based screening through the application of novel centrifugal plate washing, SLAS Discov., 22, 732–742, doi: 10.1177/2472555216683650.

38. Sherman, S.P., and Bang, A.G. (2018) High-throughput screen for compounds that modulate neurite growth of human induced pluripotent stem cell-derived neurons, Dis. Model Mech., 11, dmm031906, doi: 10.1242/dmm.031906.

39. Han, Y., Miller, A., Mangada, J., Liu, Y., and Swistowski, A. (2009) Identification by automated screening of a small molecule that selectively eliminates neural stem cells derived from hESCs but not dopamine neurons, PLoS One, 4, e7155, doi: 10.1371/journal.pone.0007155.

40. Wang, C., Ward, M.E., Chen, R., Liu, K., Tracy, T.E., Chen, X., Xie, M., Sohn, P.D., Ludwig, C., Meyer-Franke, A., Karch, C.M., Ding, S., and Li, G. (2017) Scalable production of iPSC-derived human neurons to identify tau-lowering compounds by high-content screening, Stem Cell Reports, 9, 1221–1233, doi: 10.1016/j.stemcr.2017.08.019.

41. Traub, S., and Heilker, R. (2019) hiPS cell-derived neurons for high-throughput screening, Methods Mol. Biol., 1994, 243–263, doi: 10.1007/978-1-4939-9477-9_23.

42. Little, D., Luft, C., Pezzini-Picart, O., Mosaku, O., Ketteler, R., Devine, M.J., and Gissen, P. (2019) Seeding induced pluripotent stem cell-derived neurons onto 384-well plates, Methods Mol. Biol., 1994, 159–164, doi: 10.1007/978-1-4939-9477-9_14.