lnduced Pluripotent Stem cells disease modeling: approaching Gaucher and Tay Sachs

Abstract

IPSC are potent tools in the creation of disease models for both basic studies on the disease and testing of potential therapeutical drugs. In this context, it has been developed the derivation of iPSC from patient fibroblasts suffering from Gaucher Disease (GD) or Tay Sachs disease (TS). GD is a recessive autosomic disease which is characterized by the deficiency of the enzyme called glucocerebrosidase (GBA), which leads to the accumulation of its substrate glucosylceramide in macrophages and neurons. This disease has 3 forms of clinical presentation: type I, which is systemic; type II, the most severe with a neuronopathic acute presentation; type III, which is a combination of the former two, but without the severity of the type II. Tay Sachs is an autosomic recessive disease which is characterized by the Hexosaminidase A (HexA) deficiency, which leads to GM2 accumulation on the lysosomes of neurons. Patients present neurodegeneration and severe impairment of the brain which ultimately leads to their death. In this project iPSC derived from GD and TS patient fibroblasts. Pluripotent state of the derived iPSC has been characterized. Later, iPSC have been differentiated to neurons in order to confirm the disease phenotype on the in vitro differentiated tissue. In GD the phenotype was corroborated by enzymatic assays and GBA detection by Western blot. A lower GBA activity on GD neurons compared to WT was found, consistent with the minor GBA levels in GD neurons detected in the western blot. In TS, derived neurons were analyzed by immunofluorescence for Lamp2 (lysosome marker), observing an increase in size and number on the TS neurons in contrast to WT. Also, TS neurons were analyzed by transmission electron microscopy, presenting membranous lamellar bodies in the cytosol of TS. Both iPSC diseases have been used as a platform for testing therapeutical drugs efficiency on the iPSC derived neurons.

Las iPS (células pluripotentes inducidas) se han revelado como potentes herramientas en la creación de modelos de enfermedades humanas para su estudio y el testeo de potenciales drogas. En este marco hemos desarrollado un proyecto para derivar iPS de fibroblastos de pacientes de Gaucher y Tay Sachs, ambas enfermedades monogénicas recesivas.

La enfermedad de Gaucher se caracteriza por la deficiencia de la glucocerebrosidasa (GBA), lo que conlleva la acumulación de su substrato, la glucosilceramida, en macrófagos y neuronas. Esta enfermedad tiene tres presentaciones I, que es sistémica; II, que es una forma neuronopática aguda, tiene efectos fatales ya que los pacientes rara vez sobreviven a los dos años de edad; y III, que es una mezcla de las dos anteriores, siendo neuronopática crónica, sin llegar a la severidad del tipo II.

Tay Sachs es una enfermedad que se caracteriza por la deficiencia de la Hexosaminidasa A (HexA) lo que conlleva el almacenamiento en el lisosoma del gangliósido GM2. Los pacientes de esta enfermedad presentan daños neurológicos, provocando la muerte en la mayoría de los casos.

En este proyecto se han desarrollado las iPS derivadas de fibroblastos de un paciente de Gaucher tipo II, y de otro de Tay Sachs. Las iPS resultantes de ambas enfermedades han sido caracterizadas para constatar su estado pluripotente y diferenciadas a neuronas para comprobar que presentan el fenotipo característico de las enfermedades. En el caso de Gaucher, mediante ensayos enzimáticos y detección de la GBA1 por western blot, detectando una menor actividad en las neuronas gaucher que en las WT, lo que es consecuente con la menor cantidad de GBA1 detectada. En el caso de Tay Sachs, las neuronas se han analizado mediante inmunohistoquímica, marcando Lamp2, típico de lisosomas y se ha observado un aumento de tamaño y cantidad respecto de las células WT diferenciadas en paralelo. También han sido analizadas por microscopía electrónica, presentando una acumulación de cuerpos laminares en los lisosomas y aumento de número y tamaño de éstos.

Ambas enfermedades han sido utilizadas como modelos para probar compuestos en las neuronas derivadas de las iPS derivadas de fibroblastos del paciente y comprobar su eficacia.