疾患モデル化のための誘導多能性幹細胞とニーマンピック病A型の治療法の評価

Induced Pluripotent Stem Cells for Disease Modeling and Evaluation of Therapeutics for Niemann-Pick Disease Type A.

• Yan Long
• Miao Xu
• Rong Li
• Sheng Dai
• Jeanette Beers
• Guokai Chen
• Ferri Soheilian
• Ulrich Baxa
• Mengqiao Wang
• Juan J Marugan
• Silvia Muro
• Zhiyuan Li
• Roscoe Brady
• Wei Zheng

抄録

:ニーマン・ピック病 A 型（NPA）は、酸性スフィンゴミエリン酵素（ASM）をコードする SMPD1 遺伝子の突然変異によって引き起こされるリソソソーム蓄積疾患であり、ASM 機能の欠損によりスフィンゴミエリンがリソソームに蓄積され、神経変性を起こす。ASM機能の欠損は、スフィンゴミエリンのリソソソーム蓄積と神経変性をもたらす。現在、NPAに対する有効な治療法はありません。私たちは、NPA治療のための創薬を加速するために、2つの患者さんの皮膚線維芽細胞株から誘導多能性幹細胞を作製し、神経幹細胞に分化させました。NPA神経幹細胞は、リソソソームスフィンゴミエリンの蓄積とリソソームの肥大という疾患表現型を示しています。また、この疾患モデルを用いて、Niemann-Pick病タイプCのリソソソーム脂質蓄積を減少させることが報告されている3つの化合物とASMによる酵素補充療法についても評価した。その結果、α-トコフェロール、δ-トコフェロール、ヒドロキシプロピル-β-シクロデキストリン、ASMは、NPA神経幹細胞におけるスフィンゴミエリン蓄積を減少させ、リソソソームの肥大化を抑制することが明らかになった。このことから、NPA神経幹細胞は、トコフェロール、シクロデキストリン、ASMにより、NPA疾患の特徴的な表現型を改善することが可能であることが明らかになりました。本研究では、シクロデキストリンとトコフェロールがNPA細胞を用いたモデルにおいて有効であることを明らかにした。また、NPA神経幹細胞を用いた疾患モデルは、疾患の病態生理の研究や、創薬のための新規リード化合物を同定するためのハイスループットスクリーニングのための新しい細胞ベースの疾患モデルとして利用できることを示しています。

: Niemann-Pick disease type A (NPA) is a lysosomal storage disease caused by mutations in the SMPD1 gene that encodes acid sphingomyelinase (ASM). Deficiency in ASM function results in lysosomal accumulation of sphingomyelin and neurodegeneration. Currently, there is no effective treatment for NPA. To accelerate drug discovery for treatment of NPA, we generated induced pluripotent stem cells from two patient dermal fibroblast lines and differentiated them into neural stem cells. The NPA neural stem cells exhibit a disease phenotype of lysosomal sphingomyelin accumulation and enlarged lysosomes. By using this disease model, we also evaluated three compounds that reportedly reduced lysosomal lipid accumulation in Niemann-Pick disease type C as well as enzyme replacement therapy with ASM. We found that α-tocopherol, δ-tocopherol, hydroxypropyl-β-cyclodextrin, and ASM reduced sphingomyelin accumulation and enlarged lysosomes in NPA neural stem cells. Therefore, the NPA neural stem cells possess the characteristic NPA disease phenotype that can be ameliorated by tocopherols, cyclodextrin, and ASM. Our results demonstrate the efficacies of cyclodextrin and tocopherols in the NPA cell-based model. Our data also indicate that the NPA neural stem cells can be used as a new cell-based disease model for further study of disease pathophysiology and for high-throughput screening to identify new lead compounds for drug development.

意義:

現在のところ、ニーマンピック病A型（NPA）の有効な治療法はありません。NPA治療のための創薬を加速するために、患者の真皮線維芽細胞からNPA誘導多能性幹細胞を作製し、神経幹細胞に分化させた。この分化したNPA神経幹細胞を細胞ベースの疾患モデル系として用いることで、α-トコフェロール、δ-トコフェロール、ヒドロキシプロピル-β-シクロデキストリンは、これらのNPA神経幹細胞におけるスフィンゴミエリンの蓄積を有意に減少させた。したがって、この細胞ベースのNPAモデルは、疾患の病態生理の研究や、医薬品開発のためのリード化合物を同定するための化合物ライブラリーのハイスループットスクリーニングに利用することができます。

SIGNIFICANCE: Currently, there is no effective treatment for Niemann-Pick disease type A (NPA). To accelerate drug discovery for treatment of NPA, NPA-induced pluripotent stem cells were generated from patient dermal fibroblasts and differentiated into neural stem cells. By using the differentiated NPA neuronal cells as a cell-based disease model system, α-tocopherol, δ-tocopherol, and hydroxypropyl-β-cyclodextrin significantly reduced sphingomyelin accumulation in these NPA neuronal cells. Therefore, this cell-based NPA model can be used for further study of disease pathophysiology and for high-throughput screening of compound libraries to identify lead compounds for drug development.

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