Rdzeniowy zanik mięśni (SMA) to poważna choroba neurologiczna spowodowana obniżonym poziomem przeżywalności białka neuronu ruchowego (SMN). Obecnie nie ma lekarstwa na tę chorobę, chociaż obecne terapie mogą łagodzić objawy. W poszukiwaniu lepszych strategii leczenia SMA naukowcy z DZNE i Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie zbadali wcześniej niezauważone nieprawidłowości w rozwoju embrionalnym.

Wykorzystując, jak twierdzą, pierwszy model indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych (iPSC) pochodzących od pacjenta oraz system organoidów rdzenia kręgowego (SCO), zespół wykazał, że SCO SMA wykazywały nieprawidłowy rozwój, w tym wadliwą specyfikację komórek macierzystych neuronów (NSC) i komórek progenitorowych. Ich odkrycia wskazywały na możliwość, że wczesne defekty neurorozwojowe mogą leżeć u podstaw późniejszej degeneracji neuronów ruchowych.

W opublikowanym artykule w Raporty komórkowe Medycyna („Izogeniczne organoidy pochodzące od pacjentów ujawniają wczesne defekty neurorozwojowe w inicjacji zaniku mięśni rdzeniowych”), kierownik badań Natalia Rodriguez-Muela, dr nauk medycznych, i współpracownicy zasugerowali, że ich wyniki mogą wskazywać, że „… postnatalne interwencje zwiększające SMN mogą nie całkowicie zmienić patologii SMA u wszystkich pacjentów”. Badacze twierdzą, że nowa platforma zapewnia również precyzyjny system do funkcjonalnego badania alternatywnych ścieżek molekularnych zaangażowanych w genetykę i patologię SMA. Rodriguez-Muela jest kierownikiem grupy badawczej w ośrodku DZNE w Dreźnie i w Centrum Terapii Regeneracyjnych w Dreźnie (CRTD) Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie.

Gromadzące się dowody sugerują, że choroby neurodegeneracyjne (ND) mogą mieć komponent rozwojowy, napisali autorzy. Jednak podczas gdy choroby takie jak rodzinne stwardnienie zanikowe boczne, choroba Alzheimera, choroba Parkinsona lub choroba Huntingtona zostały powiązane z przyczynowymi mutacjami lub delecjami genów, patologia choroby często pojawia się dopiero po kilkudziesięciu latach od urodzenia, co doprowadziło do braku badań rozwojowych nad takimi zaburzeniami. Jednak zespół kontynuował: „Ostatnie dowody wskazują na zmiany neurorozwojowe, które mogą zrewolucjonizować sposób badania, diagnozowania i leczenia tych ND”.

W SMA neurony w rdzeniu kręgowym ulegają degeneracji, co prowadzi do paraliżu i zaniku mięśni. Choroba zwykle ujawnia się w dzieciństwie i może prowadzić do przedwczesnej śmierci. SMA jest powodowana przez mutacje lub delecje w genie SMN1, który koduje białko SMN. Mutacje te powodują niedobór SMN, który jest krytyczny dla neuronów zaangażowanych w kontrolę motoryczną.

Niedawno pojawiły się metody leczenia niedoboru białka za pomocą terapii genowej. Interwencja może rozpocząć się w ciągu kilku dni po urodzeniu. Jednak chociaż takie podejście może złagodzić objawy choroby, dotychczasowe doświadczenia wskazują, że nie zapewnia ona lekarstwa.

Badania prowadzone przez zespół kierowany przez DZNE sugerują poszerzenie perspektywy w poszukiwaniu lepszych terapii. „Obecne postrzeganie SMA koncentruje się na chorobie po urodzeniu, kiedy podstawowy szkielet układu nerwowego jest w większości ukształtowany” — powiedział Rodríguez-Muela. „Ten pogląd ignoruje fakt, że zjawiska istotne dla choroby mogą wystąpić dużo wcześniej, kiedy układ nerwowy wciąż się rozwija”. Jak zauważyli badacze w swoim artykule: „Postawiliśmy hipotezę, że zwyrodnienie MN w SMA jest utrwalone na wczesnym etapie rozwoju”.

Rodríguez-Muela kontynuował: „W rzeczywistości nasze badania sugerują, że SMA jest związane z anomaliami w rozwoju embrionalnym, które do tej pory nie były znane. Dlatego uważamy, że istnieje dotychczas nierozpoznany preludium do tej choroby i że potrzebne są interwencje wykraczające poza istniejące terapie”.

Na potrzeby swoich badań Rodríguez-Muela i współpracownicy stworzyli organoidy, które odtwarzają kluczowe cechy zarówno rdzenia kręgowego, jak i tkanki mięśniowej. Te złożone, maleńkie próbki sztucznie wygenerowanej tkanki, każda o wielkości ziarenka ryżu, zostały wyhodowane z ludzkich pluripotentnych komórek macierzystych pochodzących z komórek skóry osób dotkniętych SMA.

„To pierwszy raz, kiedy organoidy o takiej złożoności zostały wygenerowane do badania SMA”, powiedział Rodríguez-Muela. „Chociaż są to systemy modelowe, które mają pewne ograniczenia, są one dość bliskie rzeczywistej sytuacji, ponieważ obejmują różnorodność typów komórek i struktur tkankowych występujących w ciele człowieka”.

Naukowcy byli w stanie badać różne stadia rozwoju, w miarę jak organoidy dojrzewały w czasie. „Najwcześniejsza faza, którą możemy naśladować za pomocą naszego modelu organoidów, odpowiada fazie ludzkiego zarodka w wieku kilku tygodni. Jednak replikujemy tylko rdzeń kręgowy i tkankę mięśniową. Zaczynając od wczesnej fazy rozwoju, możemy przejść do sytuacji po urodzeniu, w szczególności takiej, jaką obserwuje się u pacjentów z SMA”, wyjaśnił Rodríguez-Muela.

Naukowcy odkryli znaczące różnice między organoidami wykazującymi patologię SMA a zdrowymi okazami. W szczególności komórki macierzyste w organoidach SMA miały tendencję do przedwczesnego rozwoju w neurony rdzenia kręgowego. Ponadto wystąpiło zniekształcenie w populacji komórek, ponieważ było mniej neuronów niż normalnie, które również były bardzo podatne, i więcej komórek mięśniowych pochodzących z komórek macierzystych. „Zbadaliśmy funkcjonalną rolę SMN we wczesnym rozwoju, odkrywając, że SCO SMA wykazywały wadliwy i opóźniony wzrost w porównaniu do ich izogenicznych lub zdrowych odpowiedników, z wadliwą specyfikacją komórek macierzystych neuronów (NSC) i komórek progenitorowych” — napisali. „Wzdłużne sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek (scRNA-seq) i ukierunkowana analiza transkryptomiczna wskazały na zróżnicowane rozmieszczenie komórek w SCO SMA, z odchyleniem progenitorów neuromesodermalnych (NMP) w kierunku tożsamości komórek mięśniowych. Na poparcie swoich odkryć dotyczących organoidów Rodríguez-Muela i współpracownicy zaobserwowali podobne efekty w zarodkach myszy z patologią podobną do SMA.

Te hodowle tkankowe przyniosły również inny ważny wynik. „Kiedy skorygowaliśmy defekt genetyczny związany z SMA, nadal obserwowaliśmy nieprawidłowości rozwojowe, choć w mniejszym stopniu”, powiedział Rodríguez-Muela. „To sugeruje, że przywrócenie genu, jak to robią obecne terapie, najprawdopodobniej nie wystarczy, aby całkowicie zmienić patologię SMA. Jest to zgodne z dotychczasowymi doświadczeniami klinicznymi. Dlatego uważam, że musimy zająć się nieprawidłowościami rozwojowymi, jeśli chcemy poprawić leczenie SMA”.

„Ogólnie rzecz biorąc, nasza nowa platforma wskazuje na wczesną rolę rozwojową SMN, co sugeruje, że postnatalna odbudowa SMN może nie w pełni korygować fenotypów patologicznych u wszystkich pacjentów z SMA” — stwierdził zespół. „Te spostrzeżenia stanowią podstawę dla przyszłych badań mających na celu odkrycie zdarzeń molekularnych rządzących wczesnymi wadami rozwojowymi poprzedzającymi postęp SMA i selektywną utratę MN”.

Rodríguez-Muela podejrzewa, że ​​przyczyną obserwowanych wad rozwojowych może być upośledzona regulacja genów. „To może być nie tylko kwestia tego, czy gen produkujący białko SMN jest wadliwy, czy nie. Być może istotne jest również to, czy niedobór tego białka wpływa na inne geny krytyczne dla wczesnego rozwoju zarodka. Może istnieć efekt regulacyjny. Faktem jest, że nadal nie wiemy, ale jest to prawdopodobna możliwość” — podkreśliła. „Uważam, że ten pomysł należy zbadać dalej. W dłuższej perspektywie może to doprowadzić do ulepszonych terapii, które łączą istniejące podejścia z lekami ukierunkowanymi na regulację genów. Oznacza to, że musiałyby one działać na to, co nazywa się „epigenetyką”. Aby zminimalizować nieprawidłowości rozwojowe, takie leczenie najprawdopodobniej musiałoby zostać zastosowane na wczesnym etapie ciąży. Jeśli badania prenatalne wskazują na SMA, może to być opcja terapeutyczna”.