Le vescicole extracellulari di NSC da hi-PSC proteggono i neuroni umani dalla neurodegenerazione, dalla disfunzione mitocondriale e dalla fosforilazione delle tau indotte da oligomeri amiloide beta-42

Abstract Background Alzheimer’s disease (AD) is characterized by the accumulation of amyloid beta-42 (Aβ-42) in the brain, causing various adverse effects. Thus, therapies that reduce Aβ-42 toxicity in AD are of great interest. One promising approach is to use extracellular vesicles from human induced pluripotent stem cell-derived neural stem cells (hiPSC- NSC-EVs) because they carry multiple therapeutic miRNAs and proteins capable of protecting neurons against Aβ-42-induced toxicity. Therefore, this in vitro study investigated the proficiency of hiPSC-NSC-EVs to protect human neurons from Aβ-42 oligomers (Aβ-42o) induced neurodegeneration. Methods We isolated hiPSC-NSC-EVs using chromatographic methods and characterized their size, ultrastructure, expression of EV-specific markers and proficiency in getting incorporated into mature human neurons. Next, mature human neurons differentiated from two different hiPSC lines were exposed to 1 µM Aβ-42o alone or with varying concentrations of hiPSC-NSC-EVs. The protective effects of hiPSC-NSC-EVs against Aβ-42o-induced neurodegeneration, oxidative stress, mitochondrial dysfunction, impaired autophagy, and tau phosphorylation were ascertained using multiple measures and one-way ANOVA with Newman-Keuls multiple comparisons post hoc tests. Results A significant neurodegeneration was observed when human neurons were exposed to Aβ-42o alone. Neurodegeneration was associated with (1) elevated levels of reactive oxygen species (ROS), mitochondrial superoxide, malondialdehyde (MDA) and protein carbonyls (PCs), (2) increased expression of proapoptotic Bax and Bad genes and proteins, and genes encoding mitochondrial complex proteins, (3) diminished mitochondrial membrane potential and mitochondria, (4) reduced expression of the antiapoptotic gene and protein Bcl-2, and autophagy-related proteins, and (5) increased phosphorylation of tau. However, the addition of an optimal dose of hiPSC-NSC-EVs (6 × 109 EVs) to human neuronal cultures exposed to Aβ-42o significantly reduced the extent of neurodegeneration, along with diminished levels of ROS, superoxide, MDA and PCs, normalized expressions of Bax, Bad, and Bcl-2, and autophagy-related proteins, higher mitochondrial membrane potential and mitochondria, enhanced expression of genes linked to mitochondrial complex proteins, and reduced tau phosphorylation. Conclusions An optimal dose of hiPSC-NSC-EVs could significantly decrease the degeneration of human neurons induced by Aβ-42o. The results support further research into the effectiveness of hiPSC-NSC-EVs in AD, particularly their proficiency in preserving neurons and slowing disease progression. Keywords Aβ-42 oligomers, Alzheimer’s disease, Apoptosis, Autophagy, Mitochondrial dysfunction, Neural stem cells, Neurotoxicity, Oxidative stress, Stem cell-derived extracellular vesicles.

Astratto Premessa La malattia di Alzheimer (AD) è caratterizzata dall'accumulo di amiloide beta-42 (Aß-42) nel cervello, che causa diversi effetti negativi. Pertanto, le terapie che riducono la tossicità dell'Aß-42 nell'AD sono di grande interesse. Un approccio promettente è l'utilizzo di vescicole extracellulari provenienti da cellule staminali neurali umane pluripotenti indotte (hiPSC-NSC-EVs), poiché esse trasportano molteplici miRNA terapeutici e proteine in grado di proteggere i neuroni contro l'amiloide tossicità indotta dall'Aß-42. Pertanto, questo studio in vitro ha analizzato la capacità delle hiPSC-NSC-EV di proteggere i neuroni umani dagli oligomeri di Aß-42 (Aß-42o) indotti dalla neurodegenerazione. Metodi Abbiamo isolato le EV di hiPSC-NSC utilizzando metodi cromatografici e ne abbiamo caratterizzato le dimensioni, l'ultrastruttura, l'espressione di marcatori specifici delle EV e la capacità di essere incorporate in neuroni umani maturi. Successivamente, i neuroni umani maturi differenziati da due diverse linee di hiPSC sono stati esposti a 1 uM di Aß-42o da solo con diverse concentrazioni di hiPSC-NSC-EV. Gli effetti protettivi delle hiPSC-NSC-EV contro la neurodegenerazione, lo stress ossidativo, la disfunzione mitocondriale, l'alterazione dell'autofagia e la fosforilazione della tau indotti dall'Aß-42o sono stati accertati utilizzando misure multiple e ANOVA a una via con test post hoc di confronto multiplo di Newman-Keuls. Risultati È stata osservata una significativa neurodegenerazione quando i neuroni umani sono stati esposti alla sola AB-420. La neurodegenerazione è stata associata a (1) elevati livelli di specie reattive dell'ossigeno (ROS), superossido mitocondriale, malondialdeide (MDA) e carbonili proteici (PC), (2) aumento dell'espressione di geni e proteine proapoptotiche Bax e Bad, e dei geni che codificano le proteine del complesso mitocondriale, (3) diminuzione del potenziale di membrana mitocondriale e dei mitocondri, (4) riduzione dell'espressione del gene e della proteina antiapoptotica Bcl-2 e delle proteine legate all'autofagia e (5) aumento della fosforilazione della tau. Tuttavia, l'aggiunta di una dose ottimale di hiPSC-NSC-EVs (6x 10°EVs) a colture neuronali umane esposte all'Aß-42o ha ridotto significativamente l'entità della perdita di massa della neurodegenerazione, insieme alla diminuzione dei livelli di ROS, superossido, MDA e PC, alla normalizzazione dell'espressione di Bax, Bad e Bcl-2 e delle proteine legate all'autofagia, all'aumento del potenziale di membrana mitocondriale e dei mitocondri, all'aumento dell'espressione dei geni legati alle proteine del complesso mitocondriale e alla riduzione della fosforilazione della tau. Conclusioni Una dose ottimale di hiPS-NSC-EV potrebbe ridurre significativamente la degenerazione dei neuroni umani indotta dall'AB-420. I risultati supportano ulteriori ricerche sull'efficacia delle hiPSC-NSC-EV nell'AD, in particolare sulla loro capacità di preservare i neuroni e rallentare la progressione della malattia. Parole chiave Oligomeri Aß-42, Malattia di Alzheimer, Apoptosi, Autofagia, Disfunzione mitocondriale, Cellule staminali neurali, Neurotossicità, Stress ossidativo, Vescicole extracellulari derivate da cellule staminali.