Modeling HIV-associated neurocognitive disorders and encephalopathy in human iPSC brain organoids containing microglia

在含有小胶质细胞的人 iPSC 脑类器官中模拟 HIV 相关的神经认知障碍和脑病

基本信息

  • 批准号:
    10266193
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23.55万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-09-30 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary/Abstract Even with the advent of successful combination antiretroviral therapy (c-ART), infection by Human Immunodeficiency Virus (HIV-1) remains a global public health crisis. HIV infection of the brain results in important clinical symptoms including HIV-associated neurocognitive disorder or HAND, a constellation of symptoms affecting cognitive, behavioral, and motor functions, as well as pediatric HIV encephalopathy (PHE) in children, leading to neurodevelopmental deficits. These disorders may still occur even in patients receiving c- ART, although with less severity. The molecular and cellular mechanisms underlying the pathophysiology of HIV- HAND and PHE remain poorly understood, in large part because of limitations of the existing model systems to study them. Animal models are generally not infected by HIV, expensive and impractical or poorly recapitulate human brain infection. Cultured cell models provide some insights, but do not recapitulate many aspects of cell- cell and cell-matrix interactions found in human brain. Advances in stem cell technologies, including the use of human induced pluripotent stem cells (iPSC or iPS cells), now enable generation of patient-specific neural lineage cells and microglia (brain immune cells), as well as the assembly of these cells into 3-dimensional (3D) brain organoids. These cerebral organoids mimic important features of immune, glial and neuronal cell interactions, uniquely enabling us to examine how these interactions are affected by HIV infection and to model key aspects of HAND and PHE pathogenesis. The overarching goal of this project is to leverage our strengths in neurosciences, virology, stem cell biology and gene expression to understand the pathophysiology of HAND and PHE using a human neural-microglial system. We have established human 3D brain organoids prepared with iPS cell-derived microglial cells to study neurodevelopment and neuroimmune interactions and have successfully infected these mixed organoids with HIV. We hypothesize that microglial infection by HIV causes altered neuronal function which can be modeled in these microglial-containing brain organoids, providing a new system for mechanistic understanding of the pathogenesis of HAND and PHE. In this proposal, we will characterize the effects of HIV infection on microglia activation and cytokine production, neuronal cell populations, organization and gene expression, and the specific effects of candidate cytokine mediators. We will apply cutting- edge approaches drawn from stem cell technologies, brain organoid models, and single cell RNA sequencing to develop this model system, which will allow long-term, detailed analyses of the molecular and neurophysiologic mechanisms responsible for the pathogenesis of HIV-associated neurological disorders.
项目摘要/摘要 即使是成功结合抗逆转录病毒疗法(C-ART)的出现,人类感染 免疫缺陷病毒(HIV-1)仍然是全球公共卫生危机。大脑的艾滋病毒感染导致 重要的临床症状,包括与HIV相关的神经认知障碍或手, 影响认知,行为和运动功能以及小儿HIV脑病(PHE)的症状 在儿童中,导致神经发育缺陷。即使在接受C-的患者中,这些疾病仍然可能发生 艺术,尽管严重程度较小。 HIV- 手和PHE仍然很了解,在很大程度上是由于现有模型系统的局限性 研究他们。动物模型通常不感染艾滋病毒,昂贵且不切实际或不良概括 人脑感染。培养的细胞模型提供了一些见解,但不会概括细胞的许多方面 在人脑中发现的细胞和细胞 - 矩阵相互作用。干细胞技术的进步,包括使用 人类诱导的多能干细胞(IPSC或IPS细胞),现在可以生成患者特异性神经 谱系细胞和小胶质细胞(脑免疫细胞),以及这些细胞组装成三维(3D) 脑器官。这些大脑器官模仿免疫,神经胶质和神经元细胞的重要特征 相互作用,使我们能够研究这些相互作用如何受到艾滋病毒感染的影响并建模 手和PHE发病机理的关键方面。该项目的总体目标是利用我们的优势 在神经科学,病毒学,干细胞生物学和基因表达中,了解手的病理生理学 和PHE使用人类神经神经系统。我们已经建立了制备的人类3D脑器官 与IPS细胞衍生的小胶质细胞一起研究神经发育和神经免疫相互作用,并具有 成功地感染了这些混合类器官的HIV。我们假设艾滋病毒原因的小胶质细胞感染 可以在这些含小胶质细胞的脑器官中建模的神经元功能,提供了新的 机械理解手和PHE发病机理的系统。在此提案中,我们将 表征HIV感染对小胶质细胞激活和细胞因子产生的影响,神经元细胞群体, 组织和基因表达以及候选细胞因子介质的特定作用。我们将应用裁切 - 从干细胞技术,脑器官模型和单细胞RNA测序中绘制的边缘方法 开发此模型系统,该系统将允许对分子和神经生理学的长期详细分析 导致HIV相关神经系统疾病发病机理的机制。

项目成果

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