Warum Metformin das Gehirn schützen könnte, indem sie Mitochondrien neu verdrahtet

Eine neue Studie zeigt, dass Metformin die Myelinreparatur in Modellen auf Menschenbasis durch den Mitochondrienstoffwechsel verbessert und Hoffnung auf Multiple Sklerose-Behandlung bietet.

In einer kürzlich im Journal veröffentlichten Studie NaturkommunikationEin internationales Forscherteam untersuchte, ob Metformin die Differenzierung und Myelinisierung von humanen Oligodendrozyten-Vorläuferzellen (OPCs) über humanrelevante Modelle und definierte mitochondrienbedingte Mechanismen, die die Neuroprotektion unterstützen, verbessert.

Hintergrund

Jeden Tag verlassen sich Millionen von Gehirnbotschaften auf Myelin, um präzise zu bleiben. Wenn diese Isolierung ausfällt, leiden Bewegung, Gedächtnis und Stimmung. Multiple Sklerose (MS) entfernt Myelin aus Axonen, und das Altern reduziert die Remyelinisierung, da OPCs weniger reaktionsschnell werden.

Metformin, eine Erstlinie-Therapie für Typ-II-Diabetes mellitus, überschreitet die Blut-Hirn-Schranke und verändert das Adenosinmonophosphat (AMP): Adenosintriphosphat (ATP) -Verhältnis durch Hemmung des Mitochondrienkomplexes I, aktivierende AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK).

Die Wiederverwendung von Neuroprotektion steht vor einer Herausforderung: Die menschliche Oligodendroglie unterscheidet sich signifikant von denen von Nagetieren. Eine bessere Remyelinisierung könnte das Fortschreiten der Behinderung verlangsamen und die Unabhängigkeit bewahren.

Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um Mechanismen und Vorteile zu definieren.

Über die Studie

Die Forscher verglichen drei menschliche Systeme, um die Auswirkungen von Metformin auf Oligodendroglia zu bewerten. Sie erzeugten humane embryonale Stammzellen (HESC)-abgeleitete OPCs in der Monoschichtkultur, produzierten kortikale Organoide, die Oligodendroglie enthielten, und transplantiertes grün fluoreszierendes Protein-markiertes HESC-OPCs in das Korpus callosum von Shiverer; Rekombination aktiviert Gen 2 (rag2) -null-Mäuse, um Chimären der Menschen zu erzeugen.

Metforminhydrochlorid (100 μm) wurde 7 Tage lang auf Monoschichten angewendet und von Tag in vitro 60 bis 70 täglich an Organoiden verabreicht. Chimären erhielten 21 Tage lang orale Metformin (300 mg/kg) für 21 Tage, beginnend 42 Tage nach der Transplantation.

Differentiation and myelination were quantified by immunostaining for myelin basic protein (MBP), oligodendrocyte transcription factor 2 (OLIG2), and the mature marker adenomatous polyposis coli (APC; clone CC1), plus electron microscopy (EM) to compute myelinated-axon percentage and g-ratio (axon diameter divided by axon plus myelin diameter).

Für Zellen wurden eine Einzelzell-Ribonukleinsäure-Sequenzierung (SCRNA-Seq) erzeugt, und die RNA-Sequenzierung (SNRNA-Seq) einzelner Nukleus (SNRNA-Seq) aus dem Gehirn und des Rückenmarks wurden unter Verwendung der kanonischen Korrelationsanalyse und eines künstlichen neuralen Netzwerks (ANN) integriert, um Identitäten zu vergleichen.

Differentielle Expressions- und Gen -Ontologie -Analysen (GO) wurden verwendet, um Änderungen des Weges zu testen. Mechanistische Anzeigen in situ Hybridisierung für NDUFA11 und EIF1 sowie Western Blot für TOMM20 und CHCHD2.

Studienergebnisse

In Monoschichtkulturen erhöhte Metformin die Differenzierung des menschlichen Oligodendrozyten innerhalb von sieben Tagen. Intermediäre Oligodendrozyten zeigten einen mittleren Anstieg von 0,70 ± 0,2 SEM (FALT -Änderung) und reiferer Olig2+ MBP+ -Zellen stiegen um einen mittleren Anstieg von 0,52 ± 0,23 SEM (FALT -Change) gegenüber dem Fahrzeug, vergleichbar mit Clemastin -Fumarat. SCRNA-seq zeigte, dass diese Zellen eher fetal als adulter Oligodendroglia ähnelten: OPC-Cluster, die mit adulten OPCs ausgerichtet waren, während Oligodendrozyten, die auf unreife, engagierte Oligodendrozyten-Vorläufer-Zellzellen (COP) -ähnliche Zustände zugeordnet waren, mit anhaltendem Sry-Box-Transkriptionsfaktor 2 (so sox2) -Ergsexpression zum Ausdrucksmarke Unnimm. Insbesondere steht dies im Gegensatz zu Rattenmodellen, bei denen Metformin nur OPCs agiert, wodurch artenspezifische Reaktionen hervorgehoben werden.

In kortikalen Organoiden änderte ein Metformin -Impuls vom Tag in vitro 60–70 keine Zahlen von CC1+ oder MBP+ -Zellen, sondern die MBP -Fläche (mittlere Erhöhung von 0,45 ± 0,18 SEM) signifikant, was darauf hinweist, dass mehr Myelin -Protein pro Fläche ohne Veränderung der Zellzahl angeht. Integrierte Analysen gegen adulte snrna-seq platzierten erneut die meisten Organoid-Oligodendroglia in COP oder unreife Oligodendrozytenkompartimenten.

Die stärksten Effekte traten bei Chimären der Menschenmaus auf. Nach der Transplantation von von HESCs abgeleiteten OPCs in den Zittern; RAG2-Null Corpus Callosum, 46,77% ± 4,39 SEM der regionalen Zellen waren menschlich und 70,51% ± 2,28 SEM von diesen waren Olig2+. Mit EM wurden ein Mittelwert von 16,15% ± 1,88 SEM von Axonen zu Studienbeginn myeliniert.

Ein 21-tägiger oraler Kurs von Metformin erhöhte die myelinisierten Axone von 21,44 ± 2,3 SEM% auf 28,21 ± 1,9 SEM und reduzierte das G-Ratio von 0,84 ± 0,004 Sems Seme 0,81 ± 0,009 SEM, unabhängig von axonalen Durchmesser und konsistent mit dickerem Myelin. Obwohl sich reife Oligodendrozytenzahlen (CC1+) nicht änderten, verbesserte sich der Myelinausgang pro Axon, was eine verstärkte Funktion pro Zelle implizierte.

Mitochondriale Struktur und Genprogramme wurden mit der Behandlung verschoben. Metformin erhöhte das mitochondriale Profilbereich in Axonen und Glia, was mit Änderungen des Mitochondriengehalts oder der Dynamik übereinstimmt. Die Transkriptomik in Oligodendrozyten der menschlichen Chimäre zeigte die Hochregulation von NDUFA11, COX8A und EIF1, die die Übersetzung mitochondrialer Nachrichten unterstützen.

In -situ -Hybridisierung bestätigte höhere NDUFA11- und EIF1 -Signale in menschlichen Olig2+ -Zellen, und Western Blots in HESC -Oligodendroglialmonokulturen zeigten eine Erhöhung der TOMM20 und CHCHD2, was mit einer erhöhten mitochondrialen Aktivität und Dynamik übereinstimmt.

Wichtig ist, dass die Effekte nicht auf transplantierte menschliche Zellen beschränkt waren. In Mauskorpus-Callosal-Oligodendrozyten, Astrozyten, Mikroglia und Neuronen erhöhte Metformin EIF1 und COX8A, was auf eine breitere metabolische Abstimmung und nicht auf eine streng zellautonome Wirkung hinweist.

In einem einzelnen Nukleus-Datensatz von MS-Donor-Gehirnen haben Oligodendrozyten zweier Personen, von denen bekannt ist, dass sie Metformin vor dem Tod genommen haben, mehr EIF1 als zwei unbehandelte MS-Spender, was trotz kleiner Zahlen das Chimera-Signal wiederholte.

Zusammen erhöhte Metformin Myelinproteine ​​und Scheiden über Modelle hinweg und den mitochondrienbedingten Stoffwechsel in einer Weise, die die Oligodendrozytenfunktion unterstützt.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass Metformin Myelinproteine ​​in vitro und myelinscheiden in vivo verbessert, wobei im Chimera-Modell am deutlichsten bei Erwachsenen-ähnliche Transkriptionsähnlichkeiten am meisten deutlich sind.

In Chimären fielen myelinisierte Axone Rose und G-Ratio ohne die Ausweitung der reifen Oligodendrozytenzahlen, was mehr Myelin pro Zelle implizierte. Transkriptions- und Proteinsignaturen, einschließlich NDUFA11, COX8A, EIF1, TOMM20 und CHCHD2, stimmen mit einer veränderten mitochondrialen Funktion und dem Stoffwechsel überein.

Zu den Einschränkungen gehören fetalähnliche Zellen mit anhaltender Sox2-Expression, Abwesenheit von Demyelinisierung oder Entzündung, mangelnde direkte mitochondriale Atmungsmessungen und wenige MS-Spender.

Die Ergebnisse stimmen mit dem laufenden klinischen Test des neuroprotektiven Potentials von Metformin in MS überein. Insgesamt stützt der Nachweis das Testen von Metformin als eine neuroprotektive, remyelinisierende Therapie bei MS.

Quellen: