Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd2749910.32607/actanaturae.27499Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleIntraventricular Administration of Exosomes from Patients with Amyotrophic Lateral Sclerosis Provokes Motor Neuron Disease in MiceИнтравентрикулярное введение экзосом от пациентов с боковым амиотрофическим склерозом вызывает болезнь двигательного нейрона у мышейStavrovskayaA. V.СтавровскаяА. В.
Russian Federation
snillario@gmail.comVoronkovD. N.ВоронковД. Н.
Russian Federation
snillario@gmail.comPavlovaA. K.ПавловаА. К.
Russian Federation
snillario@gmail.comOlshanskiyA. S.ОльшанскийА. С.
Russian Federation
snillario@gmail.comBeluginB. V.БелугинБ. В.
Russian Federation
snillario@gmail.comIvanovaM. V.ИвановаМ. В.
Russian Federation
snillario@gmail.comZakharovaM. N.ЗахароваМ. Н.
Russian Federation
snillario@gmail.comIllarioshkinS. N.ИллариошкинС. Н.
Russian Federation
snillario@gmail.comResearch Center of neurology, Ministry of Science and Higher Education of the Russian FederationНаучный центр неврологии, Министерство науки и высшего образования РФNational Research Center for Epidemiology and Microbiology named after the honorary academician N. F. GamaleyaНациональный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Министерства здравоохранения РФ0912202416473802108202417102024Copyright ©; 2024, Illarioshkin S., Stavrovskaya A.V., Voronkov D.N., Pavlova A.K., Belugin B., Olshansky A., Ivanova M., Zakharova M.Copyright ©; 2024, Иллариошкин С.Н., Ставровская А.В., Воронков Д.Н., Павлова А.К., Белугин Б., Ольшанский А., Иванова М., Захарова М.2024Illarioshkin S., Stavrovskaya A.V., Voronkov D.N., Pavlova A.K., Belugin B., Olshansky A., Ivanova M., Zakharova M.Иллариошкин С.Н., Ставровская А.В., Воронков Д.Н., Павлова А.К., Белугин Б., Ольшанский А., Иванова М., Захарова М.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/27499

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a severe disease of the central nervous system (CNS) characterized by motor neuron damage leading to death from respiratory failure. The neurodegenerative process in ALS is characterized by an accumulation of aberrant proteins (TDP-43, SOD1, etc.) in CNS cells. The trans-synaptic transmission of these proteins via exosomes may be one of the mechanisms through which the pathology progresses. The aim of this work was to study the effect of an intraventricular injection of exosomes obtained from the cerebrospinal fluid (CSF) of ALS patients on the motor activity and CNS pathomorphology of mice. The exosomes were obtained from two ALS patients and a healthy donor. Exosome suspensions at high and low concentrations were injected into the lateral brain ventricles of male BALB/c mice (n = 45). Motor activity and physiological parameters were evaluated twice a month; morphological examination of the spinal cord was performed 14 months after the start of the experiment. Nine months after administration of exosomes from the ALS patients, the animals started exhibiting a pathological motor phenotype; i.e., altered locomotion with paresis of hind limbs, coordination impairment, and increasing episodes of immobility. The motor symptoms accelerated after administration of a higher concentration of exosomes. The experimental group showed a significant decrease in motor neuron density in the ventral horns of the spinal cord, a significant increase in the number of microglial cells, and microglia activation. The TDP43 protein in the control animals was localized in the nuclei of motor neurons. TDP43 mislocation with its accumulation in the cytoplasm was observed in the experimental group. Thus, the triggering effect of the exosomal proteins derived from the CSF of ALS patients in the development of a motor neuron pathology in the experimental animals was established. This confirms the pathogenetic role of exosomes in neurodegenerative progression and makes it possible to identify a new target for ALS therapy.

Боковой амиотрофический склероз (БАС) – тяжелое заболевание центральной нервной системы (ЦНС) с поражением мотонейронов и гибелью пациентов от дыхательных нарушений. Нейродегенеративный процесс при БАС характеризуется накоплением в клетках ЦНС аберрантных белков (TDP-43, SOD1 и др.), транссинаптическое распространение которых посредством экзосом может быть одним из механизмов прогрессирования патологии. Изучали эффект интравентрикулярного введения экзосом, полученных из цереброспинальной жидкости (ЦСЖ) больных БАС, на двигательную активность мышей и патоморфологию ЦНС. Экзосомы получали от двух пациентов с БАС и здорового донора. Суспензию экзосом в высоком и низком разведениях вводили в боковые желудочки мозга мышей-самцов линии BALB/С (n = 45); двигательную активность и физиологические показатели оценивали 2 раза в месяц, морфологическое исследование спинного мозга проводили через 14 месяцев после начала эксперимента. Через 9 месяцев после введения экзосом от пациентов с БАС у животных формировался патологический двигательный фенотип – изменение локомоции с парезом задних конечностей, нарушением координации, нарастанием эпизодов неподвижности. Двигательные симптомы развивались быстрее после введения экзосом в более высокой концентрации. Выявлено значимое снижение плотности мотонейронов в вентральных рогах спинного мозга мышей опытной группы, а также значимое увеличение числа клеток микроглии и ее активация. Белок TDP-43 у контрольных мышей локализовался в ядрах мотонейронов, тогда как в опытной группе наблюдали нарушения локализации TDP-43 и его накопление в цитоплазме. Таким образом, показан инициирующий эффект экзосомных белков, полученных из ЦСЖ от пациентов с БАС, в развитии патологии мотонейронов у экспериментальных животных, что подтверждает патогенетическую роль экзосом в распространении нейродегенеративного процесса и открывает возможность определения новых мишеней для таргетной терапии БАС.

amyotrophic lateral sclerosisneurodegenerationmotor neuronsexosomesTDP43боковой амиотрофический склерознейродегенерациямотонейроныэкзосомыTDP-43Ministry of Science and Higher Education of the Russian FederationМинистерство науки и высшего образования РФ075-15-2024-638Feldman E.L., Goutman S.A., Petri S., Mazzini L., Savelieff M.G., Shaw P.J., Sobue G. // Lancet. 2022. V. 400. № 10360. P. 1363–1380.Hardiman O., Al-Chalabi A., Chio A., Corr E.M., Logroscino G., Robberecht W., Shaw P.J., Simmons Z., van den Berg L.H. // Nat. Rev. Dis. Primers. 2017. V. 5. P. 17071.Stavrovskaya A.V., Voronkov D.N., Artemova EH.A., Belugin B.V., Shmarov M.M., Yamshchikova N.G., Gushchina A.S., Ol’shanskij A.S., Narodickij B.S., Illarioshkin S.N. // Nervno-myshechnye bolezni. 2020. No. 3. P. 63–73.Ставровская А.В., Воронков Д.Н., Артемова Э.А., Белугин Б.В., Шмаров М.М., Ямщикова Н.Г., Гущина А.С., Ольшанский А.С., Народицкий Б.С., Иллариошкин С.Н. // Нервно-мышечные болезни. 2020. № 3. С. 63–73.Ivanova M.V., Chekanova E.O., Belugin B.V., Tutykhina I.L., Dolzhikova I.V., Zakrojshchikova I.V., Vasil’ev A.V., Zakharova M.N. // Nejrokhimiya. 2019.V. 36. No. 3. P. 195–207.Иванова М.В., Чеканова Е.О., Белугин Б.В., Тутыхина И.Л., Должикова И.В., Закройщикова И.В., Васильев А.В., Захарова М.Н. // Нейрохимия. 2019. Т. 36. № 3. С. 195–207.Ivanova M.V., Chekanova E.O., Belugin B.V., Dolzhikova I.V., Tutykhina I.L., Zakharova M.N. // Nejrokhimiya. 2020. V. 37. No. 3. P. 271–279.Иванова М.В., Чеканова Е.О., Белугин Б.В., Должикова И.В., Тутыхина И.Л., Захарова М.Н. // Нейрохимия. 2020. Т. 37. № 3. С. 271–279.Gagliardi D., Bresolin N., Comi G.P., Corti S. // Cell Mol. Life Sci. 2021. V. 78. № 2. P. 561–572.Gagliardi D., Bresolin N., Comi G.P., Corti S. // Cell Mol. Life Sci. 2021. V. 78. № 2. Р. 561–572.Cocucci E., Meldolesi J. // Trends Cell Biol. 2015. V. 25. P-64–372.Cocucci E., Meldolesi J. // Trends Cell Biol. 2015. V. 25. P. 364–372.Matsumoto J., Stewart T., Banks W.A., Zhang J. // Curr. Pharm. Des. 2017. V. 23. P. 6206–6214.Kourembanas S. // Annu. Rev. Physiol. 2015. V. 77. P. 13–27.Théry C., Amigorena S., Raposo G., Clayton A. // Curr. Protocol Cell Biol. 2006. V. 30. P. 3.22.1–3.22.29.Silverman J.M., Fernando S.M., Grad L.I., Hill A.F., Turner B.J., Yerbury J.J., Cashman N.R. // Cell Mol. Neurobiol. 2016. V. 36. P. 377–381.Braak H., Brettschneider J., Ludolph A.C., Lee V.M., Trojanowski J.Q., Del Tredici K. // Nat. Rev. Neurol. 2013. V. 9. № 12. P. 708–714.Paxinos G., Franklin K.B.J. The mouse brain in stereotaxic coordinates. San Diego etc.: Acad. Press, 2001.Berston M. Gistokhimiya fermentov. M.: Mir, 1965. p. 464.Берстон М. Гистохимия ферментов. М.: Мир, 1965. 464 с.Austin A., Beresford L., Price G., Cunningham T., Kalmar B., Yon M. // Curr. Protocols. 2022. V. 2. e428.Peng C., Trojanowski J.Q., Lee V.M.-Y. // Nat. Rev. Neurol. 2020. V. 16. P. 199–212.Ravits J.M., La Spada A.R. // Neurology. 2009. V. 73. P. 805–811.Goedert M., Clavaguera F., Tolnay M. // Trends Neurosci. 2020. V. 33. P. 317–325.Saman S., Kim W., Raya M., Visnick Y., Miro S., Saman S., Jackson B., McKee A.C., Alvarez V.E., Lee N.C.Y., Hall G.F. // J. Biol. Chem. 2012. V. 287. P. 3842–3849.Uemura N., Uemura M.T., Luk K.C., Lee V.M.-Y., Trojanowski J.Q. // Trends Mol. Med. 2020. V. 26. № 10. P. 936–952.Mezias C., Rey N., Brundin P., Raj A. // Neurobiol. Dis. 2020. V. 134. P. 104623.Schaser A.J., Stackhouse T.L., Weston L.J., Kerstein P.C., Osterberg V.R., López C.S., Dickson D.W., Luk K.C., Meshul C.K., Woltjer R.L., et al. // Acta Neuropathol. Commun. 2020. V. 8. P. 150.Arai T., Hasegawa M., Akiyama H., Ikeda K., Nonaka T., Mori H., Mann D., Tsuchiya K., Yoshida M., Hashizume Y., Oda T. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2006. V. 351. P. 602–611.Neumann M., Sampathu D.M., Kwong L.K., Truax A.C., Micsenyi M.C., Chou T.T., Bruce J., Schuck T., Grossman M., Clark C.M., et al. // Science. 2006. V. 314. № 5796. P. 130–133.Neumann M., Sampathu D.M., Kwong L.K., Truax A.С., Micsenyi M.C., Chou T.T., Bruce J., Schuck T., Grossman M., Clark C.M., et al. // Science. 2006. V. 314. № 5796. P. 130–133.Sreedharan J., Blair I.P., Tripathi V.B., Hu X., Vance C., Rogelj B., Ackerley S., Durnall J.C., Williams K.L., Buratti E., et al. // Science. 2008. V. 319. № 5870. P. 1668–1672.Borroni B., Bonvicini C., Alberici A., Buratti E., Agosti C., Archetti S., Papetti A., Stuani C., Di Luca M., Gennarelli M., Padovani A. // Hum. Mutat. 2009. V. 30. № 11. P. 974–983.Tan R.H., Yang Y., Kim W.S., Dobson-Stone C., Kwok J.B., Kiernan M.C., Halliday G.M. // Acta Neuropathol. Commun. 2017. V. 5. № 1. P. 76.Buratti E., Baralle F.E. // J. Biol. Chem. 2001. V. 276. P. 36337–36343.Cohen T.J., Lee V.M.Y., Trojanowski J.Q. // Trends Mol. Med. 2011. V. 17. № 11. P. 659–667.Ayala Y.M., Zago P., D’Ambrogio A., Xu Y.-F., Petrucelli L., Buratti E., Baralle F.E. // J. Cell Sci. 2008. V. 121. P. 3778–3785.Smethurst P., Newcombe J., Troakes C., Simone R., Chen Y.-R., Patani R., Sidle K. // Neurobiol. Dis. 2016. V. 96. P. 236–247.Tamaki Y., Ross J.P., Alipour P., Castonguay C.-É., Li B., Catoire H., Rochefort D., Urushitani M., Takahashi R., Sonnen J.A., et al. // PLoS Genet. 2023. V. 19. № 2. e1010606.Ding X., Ma M., Teng J., Teng R.K.F., Zhou S., Yin J., Fonkem E., Huang J.H., Wu E., Wang X. // Oncotarget. 2015. V. 6. № 27. P. 24178–24191.Nonaka T., Masuda-Suzukake M., Arai T., Hasegawa Y., Akatsu H., Obi T., Yoshida M., Murayama S., Mann D.M.A., Akiyama H., Hasegawa M. // Cell Rep. 2013. V. 4. № 1. P. 124–134.Gambino C.M., Ciaccio A.M., Lo Sasso B., Giglio R.V., Vidali M., Agnello L., Ciaccio M. // Diagnostics. 2023. V. 13. P. 416.Doyle L.M., Wang M.Z. // Cells. 2019. V. 8. № 7. P. 727.Iguchi Y., Eid L., Parent M., Soucy G., Bareil C., Riku Y., Kawai K., Takagi S., Yoshida M., Katsunoet M., et al. // Brain. 2016. V. 139. P. 3187–3201.Perea J.R., López E., Carlos Díez-Ballesteros J., Ávila J., Hernández F., Bolós M. // Front. Neurosci. 2019. V. 13. P. 442.Asai H., Ikezu S., Tsunoda S., Medalla M., Luebke J., Haydar T., Wolozin B., Butovsky O., Kügler S., Ikezu T. // Nat. Neurosci. 2015. P. 18. № 11. P. 1584–1593.Asai H., Ikezu S., Tsunoda S., Medalla M., Luebke J., Haydar T., Wolozin B., Butovsky O., Kügler S., Ikezu T. // Nat. Neurosci. 2015. P. 18. № 11. С. 1584–1593.Kempuraj D., Thangavel R., Natteru P.A., Selvakumar G.P., Saeed D., Zahoor H., Zaheer S., Iyer S.S., Zaheer A. // J. Neurol. Neurosurg. Spine. 2016. V. 1. № 1. P. 1003.Martinon F., Burns K., Tschopp J. // Mol. Cell. 2002. V. 10. № 2. P. 417–426.Komine O., Yamanaka K. // Nagoya J. Med. Sci. 2015. V. 77. № 4. P. 537–549.Lieberman J., Wu H., Kagan J.P. // Sci. Immunol. 2019. V. 4. № 39. eaav144.Valentine J.S., Doucette P.A., Zittin Potter S. // Annu. Rev. Biochem. 2005. V. 74. P. 563–593.Rotunno M.S., Bosco D.A. // Front. Cell. Neurosci. 2013. V. 7. P. 253.Bobis-Wozowicz S., Marbán E. // Front. Cell. Dev Biol. 2022. V. 10. P. 919426.Afonso G.J.M., Cavaleiro C., Valero J., Mota S.I., Ferreiro E. // Cells. 2023. V. 12. P. 1763.