Defining molecular mechanisms by which stimulant evoked dopamine drives inflammation and neuronal dysfunction in neuroHIV
定义兴奋剂诱发多巴胺驱动神经艾滋病毒炎症和神经元功能障碍的分子机制
基本信息
- 批准号:10685160
- 负责人:
- 金额:$ 57.03万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2023
- 资助国家:美国
- 起止时间:2023-07-01 至 2025-06-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalATAC-seqAccelerationAddressAtlasesAutomobile DrivingBehavioralBiological AssayBrainCell Culture TechniquesCell SurvivalCellsChromatinClustered Regularly Interspaced Short Palindromic RepeatsCocaineCoculture TechniquesCognitiveCommunicationDataData CorrelationsDendritic SpinesDiseaseDisease ProgressionDopamineDopamine ReceptorElectrophysiology (science)EvaluationExposure toGene ExpressionGene Expression ProfileGenesGeneticHIVHIV InfectionsHealthHigh PrevalenceHumanImageImpaired cognitionImpairmentIn VitroInfectionInflammasomeInflammationInflammatoryInterventionKnowledgeMacrophageMediatingMembrane PotentialsMethamphetamineMicrogliaModelingMolecularMorphologyMyelogenousMyeloid CellsNeurobiologyNeurocognitive DeficitNeuroimmuneNeuronal DifferentiationNeuronal DysfunctionNeuronsNeuropathogenesisPathway interactionsPersonsPhasePhysiologicalPopulationProcessProductionProtocols documentationPublishingReceptor ActivationRestRiskStimulantSubstance abuse problemSystemSystemic diseaseTestingTranscription Factor AP-1Viralantiretroviral therapycell typecomorbidityconfocal imagingcytokinedensitydopaminergic neuronhigh throughput analysishigh throughput screeningin vitro activityinduced pluripotent stem cellknock-downmulti-electrode arraysneuroAIDSneuroinflammationneuropathologyneuropsychiatrynonhuman primatepandemic diseasepatch clamppharmacologicpreventreceptorresponsesingle-cell RNA sequencingstimulant exposurestimulant usetranscription factor
项目摘要
The HIV pandemic is increasingly driven by the spread of infection in vulnerable sub-populations with a relatively
high prevalence of substance abuse disorders (SUD), including the use of stimulants such as Methamphetamine
(Meth) and Cocaine (Coc). Stimulant use accelerates systemic disease, and can drive changes in
neuropathogenesis, increase risk neuropsychiatric comorbidities and accelerate cognitive decline, despite
effective ART. Despite the high prevalence of stimulant use among PLWH, the mechanisms by which stimulants
impact disease progression are poorly defined. This is particularly true in the CNS, as there are substantial
technical challenges involved in modeling microglial infection and interaction with neurons, as well as the
subsequent changes that this has on neuronal function. All stimulants increase CNS dopamine release, exposing
myeloid populations to highly elevated dopamine levels. Data indicate that it is the exposure to released
dopamine, rather than the stimulants themselves, which drives changes in microglial infection and function. Our
data support this, showing stimulant induced dopamine levels increase HIV entry and enhance myeloid
inflammation, increasing cytokine release, and NF-κB and NRLP3 inflammasome activity in vitro and in the NHP
CNS. Neuroinflammation driven by infected CNS myeloid populations is central to HIV neuropathogenesis in the
ART era, underlying the neuronal dysfunction and disruptions in neuroimmune communication that lead to
cognitive impairment and behavioral changes. We hypothesize that stimulant use exacerbates HIV-
associated microglial inflammation through dopamine receptor activation, leading to neuronal
dysfunction in neuroHIV. To address this, we propose to develop tractable, syngeneic co-cultures of human
iPSC-derived microglia (iMG) and iPSC-derived dopamine neurons (iDAN). Critically, these iDAN will release
dopamine in vitro in response to stimulant exposure. Co-cultures will be based on our existing protocols for iMG
and iDAN differentiation and will be developed and optimized for high-throughput analysis during the R61 phase.
During the R61, we will infect with HIV and treat with stimulants +/- ART, then use high content imaging, single
cell RNA-seq / ATAC-seq and Alphalisas to evaluate changes in viral dynamics (Aim 1b), gene expression and
chromatin accessibility (Aim 1c) and inflammation pathways (NF-κB, AP-1, STAT and NLRP3 activity, Aim 1d).
Using the R61 results as readouts, the R33 phase will use pharmacologic inhibition and CRISPR to identify the
specific dopamine receptors involved in each readout (Aim 2), and to examine neuronal function and
neuroimmune interaction (Aim 3) by evaluating; resting membrane potential and neuron firing rate with patch
clamp electrophysiology, dendritic spine density and morphology and microglial-neuronal contacts using
confocal imaging and Neurolucida360 analysis, and neuronal network activity using multielectrode arrays. This
will define specific dopamine receptors and microglial or neuronal functions that can be targeted to ameliorate
the impact of SUD on inflammation in PLWH by manipulating dopaminergic activity.
艾滋病毒大流行越来越多地受到感染在相对脆弱的亚人群中传播的推动。
药物滥用障碍 (SUD) 患病率很高,包括使用甲基苯丙胺等兴奋剂
(Meth) 和可卡因 (Coc) 的使用会加速全身性疾病,并可能导致身体状况发生变化。
神经发病机制,增加神经精神合并症的风险并加速认知能力下降,尽管
尽管艾滋病病毒感染者中兴奋剂的使用率很高,但兴奋剂的作用机制仍然存在。
疾病进展的影响尚不清楚,这在中枢神经系统中尤其如此,因为存在大量的影响。
模拟小胶质细胞感染和与神经元相互作用所涉及的技术挑战,以及
这对神经功能产生的后续变化所有兴奋剂都会增加中枢神经系统多巴胺的释放,从而暴露。
数据表明,骨髓细胞中的多巴胺水平显着升高。
多巴胺,而不是兴奋剂本身,驱动了小胶质细胞感染和功能的变化。
数据支持这一点,显示兴奋剂诱导的多巴胺水平增加了艾滋病毒的进入并增强了骨髓细胞
炎症、增加细胞因子释放以及体外和 NHP 中的 NF-κB 和 NRLP3 炎性体活性
中枢神经系统 (CNS) 受感染的中枢神经系统髓系细胞群驱动的神经炎症是 HIV 神经发病机制的核心。
ART 时代,神经元功能障碍和神经免疫通讯中断导致
我们勇敢地面对兴奋剂的使用会加剧艾滋病毒的传播。
通过多巴胺受体激活相关的小胶质细胞炎症,导致神经元
为了解决这个问题,我们建议开发易于处理的、同基因的人类共培养物。
iPSC 衍生的小胶质细胞 (iMG) 和 iPSC 衍生的多巴胺神经元 (iDAN) 至关重要,这些 iDAN 将释放。
多巴胺体外对刺激物暴露的反应将基于我们现有的 iMG 方案。
和 iDAN 差异化,并将在 R61 阶段针对高通量分析进行开发和优化。
在R61期间,我们将感染HIV并用兴奋剂+/- ART进行治疗,然后使用高内涵成像,单次
细胞 RNA-seq / ATAC-seq 和 Alphalisas 评估病毒动力学(目标 1b)、基因表达和
染色质可及性(目标 1c)和炎症通路(NF-κB、AP-1、STAT 和 NLRP3 活性,目标 1d)。
使用 R61 结果作为读数,R33 阶段将使用药理学抑制和 CRISPR 来识别
每个读数中涉及的特定多巴胺受体(目标 2),并检查神经功能和
通过评估静息膜电位和神经元放电率来实现神经免疫相互作用(目标 3);
使用钳位电生理学、树突棘密度和形态以及小胶质细胞-神经元接触
共焦成像和 Neurolucida360 分析,以及使用多电极阵列的神经网络活动。
将定义可以针对性改善的特定多巴胺受体和小胶质细胞或神经元功能
SUD 通过控制多巴胺能活性对 PLWH 炎症的影响。
项目成果
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