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TDP-43 모델 개요

세포질 TDP-43(또는 TDP43) 응집체는 가족성 및 산발성 ALS의 특징입니다. TDP-43 응집이 있는 근위축성 측삭 경화증(ALS; 운동 신경 질환[MND]이라고도 함)의 여러 트랜스제닉(tg) 마우스 모델이 존재하지만, 각각의 모델은 장점과 단점이 있습니다. 약물 개발을 위한 ALS 마우스 모델 리소스에서 ALS 동물 모델에 대해 자세히 알아보세요.

Biospective에서는 TDP-43 단백질 병증("TDP-43 모델")의 ALS 마우스 모델인 rNLS8(또는 ΔNLS; delta NLS; dNLS)의 원본 버전과 수정된 버전을 모두 사용합니다.

  • 원래 마우스 모델("Off Dox"): 빠르게 진행됨(몇 주)
  • Biospective 마우스 모델("Low Dox"): 진행이 느림(몇 달)

ALS 연구자들에게 이 TDP-43 모델의 중요한 장점은 다음과 같습니다.

  • TDP-43의 세포질 내 위치 이동
  • 점진적 운동 기능 장애
  • 근육 약화, 신경 절단, 위축
  • 운동 뉴런 퇴행 및 국소 뇌 위축
  • 신경염증
  • 뇌, 척수, 신경근 접합부(NMJ) 병리

이 모델의 시간 경과는 예측 가능하며, 질병 진행의 측정은 재현성이 매우 높기 때문에 전임상 연구에서 치료제 평가를 위한 훌륭한 모델입니다. 자세한 내용은 리소스 - 신약 개발을 위한 TDP-43 ΔNLS(rNLS8) 마우스에서 확인하실 수 있습니다.

TDP-43 마우스 세대

rNLS8(NEFH-hTDP-43-ΔNLS) 이중 형질전환 ALS 마우스("TDP43 마우스 모델")는 NEFH-tTA 형질전환 유전자를 가진 마우스와 tetO-hTDP-43-ΔNLS 형질전환 유전자를 가진 마우스를 교배하여 생성됩니다. 이 TARDBP 모델은 원래 Walker et al.(Acta. Neuropathol., 130: 643-670, 2015). 이 모델은 근위축성 측삭 경화증(ALS) 또는 운동 신경 질환(MND)의 모델입니다. 또한 전두측두치매(FTD) 또는 전두측두엽변성(FTLD)의 TDP-43 병리학 모델로도 사용할 수 있습니다.

이 TDP-43 트랜스제닉 마우스는 번식과 초기 노화 기간(일반적으로 생후 5~12주) 동안 독스(Dox) 사료를 먹습니다. 그런 다음, 마우스는 독스 사료에서 표준 사료("오프 독스" 모델) 또는 바이오스펙트럼이 개발한 대체 프로토콜("로우 독스" 모델)로 전환되어 인간 TDP-43 발현을 가능하게 합니다. 이 모델의 흥미로운 특징은 쥐를 다시 독스 다이어트에 넣음으로써 병리학적 회복과 기능적 회복을 모두 달성할 수 있다는 점입니다.

다양한 Dox 조건에서 클로징 점수를 보여주는 플롯

저희의 검증된 TDP-43 형질전환 마우스 측정

이 모델이 인간 ALS에 적용될 수 있는지에 대해 자세히 알아보세요.

현미경 이미지

아래의 대화형 이미지 뷰어를 사용하면 TDP-43 형질 전환 마우스 모델의 전체 다중 면역 형광 조직 섹션을 탐색할 수 있습니다.

왼쪽 마우스 버튼을 사용하여 이미지를 이동할 수 있습니다. 마우스/트랙패드(위/아래) 또는 왼쪽 상단 모서리에 있는 + 및 - 버튼을 사용하여 확대 및 축소할 수 있습니다 . 오른쪽 상단 모서리에 있는 제어판에서 채널의 토글(켜기/끄기), 색상 변경 및 이미지 설정 조정을 할 수 있습니다.

최상의 상호작용 경험을 위해 전체 화면 모드를 사용하는 것이 좋습니다.

Multiplex Immunofluorescence of Brain Sections from the “Low Dox” TDP-43ΔNLS Mouse Model of ALS

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An Image showing the Biospective Preclinical Logo

This Interactive Microscopy Image Story illustrates some of the interesting pathologic features of Biospective's "Low Dox" TDP-43ΔNLS mouse model.

This ALS model was specifically intended to have a slower disease progression compared to the original rNLS8 model, and to allow greater potential to detect disease-modifying therapeutic effects. We have found intriguing temporal dynamics of different pathologic aspects (e.g. neurodegeneration, astrogliosis, microgliosis) in this model.

Here, we explore the human TDP-43 expression in neurons and the neuroinflammatory response in a coronal brain section from this model.

This multiplex immunofluorescence (mIF) image was generated by immunostaining for hTDP-43, GFAP, Iba-1, and counterstained with the DAPI nuclear stain. Tissue sections were digitized using a high-throughput slide scanner and were processed using Biospective's PERMITSTM software platform.

To navigate though this Image Story, you can use the arrows and/or the Table of Contents icon in the upper right corner of this panel.

https://opt003stagmediafiles.blob.core.windows.net/image/59d0970eaf9748f7a10f45935e285d2e

You can also interact with the microscopy image in the viewer on the right at any time to further explore this high-resolution data.

Human TDP-43 Expression (Coronal View)

In this model, the human TDP-43ΔNLS transgene is under the control of the neurofilament heavy chain (NEFH) promoter (Walker, 2015). As such, expression is observed in neurons throughout the central nervous system (CNS).

As can be seen in this microscopy image, there is heterogeneity in the expression of human TDP-43 levels in neurons in different brain regions (e.g. cerebral cortex vs. caudate-putamen). For reference, an illustration with atlas labels for this brain level is provided below.

An Image from a Mouse Brain Atlas

Mouse Brain Section (Bregma +0.75) with Neuroanatomy and Cortical Layer Labels

Human TDP-43 Expression (Sagittal View)

This image shows a sagittal view of a Low Dox mouse brain immunostained for human TDP-43. Note the spatial pattern of cytoplasmic TDP-43 expression, with strong intensity in various brain regions, including the cerebral cortex, hippocampus, thalamus, hypothalamus, olfactory bulb, cerebellum, and brainstem.

An Image from a Mouse Brain Atlas

Mouse Brain Section (Lateral 1.4mm) with Neuroanatomy Labels

Cytoplasmic Mislocalization of hTDP-43

This mouse model was specifically designed to develop TDP-43 aggregates in the cytoplasm. The human TDP-43 has a defective nuclear localization signal (NLS) (Igaz, 2011). Walker and colleagues have also shown reduced expression levels of endogenous mouse TDP-43 in the nucleus as a result of cytoplasmic TDP-43 accumulation (Walker, 2015).

In this image from the motor cortex, note the high level of staining in the cytoplasm relative to the nucleus. The video below shows the hTDP-43 and DAPI toggled on/off to clearly see the spatial localization of hTDP-43.

Regional Cortical & Subcortical Astrogliosis

A prominent reactive astrogliosis is found in close proximity to degenerating motor neurons in ALS patients and animal models of ALS. While reactive astrogliosis in ALS is likely both primary and secondary to motor neuron degeneration, astrocytes are not simple bystanders and can influence the fate of motor neurons (Vargas, 2010).

This image shows the GFAP immunofluorescence staining. Astrogliosis is apparent in portions of the motor and somatosensory cortex, as well as the caudate-putamen.

Cortical Astrocytes in Laminar Pattern

The arrows highlight this laminar pattern in Layer 4 of the somatosensory cortex, while the box shows astrocytes in the motor cortex.

Astrocytes & TDP-43ΔNLS Expressing Neurons

In this image, one can readily appreciate the spatial relationship between the GFAP-stained astrocytes and the TDP-43 stained neurons.

We have found cortical atrophy in this model using in vivo anatomical MRI scans and advanced image processing & analysis methods.

Note the regional cortical thinning (green & yellow colors) in this animation, corresponding to regions of astrogliosis in the multiplex IF image. This multi-modality data suggests a regional (and potentially laminar) vulnerability of specific neuronal populations to mislocalized TDP-43.

Activated Microglia & TDP-43ΔNLS Model

Microglia appear to have central role in the pathologic and functional features in this ALS model. Examples of activated microglia with morphological changes (e.g. hypertrophic cell bodies, shorter processes) can be seen in this microscopy image from the somatosensory cortex.

Our team has developed advanced image processing tools that allow for analysis of microglial morphology, and we have been applying this technique to IHC & IF sections from various neurodegenerative disease models.

By leveraging our large dataset of IHC/IF images from TDP-43ΔNLS mice, we have identified a strong correlation between the density of non-ramified ("activated") microglia and the composite motor score (a combination of clasping, tremor, grill agility, hindlimb paralysis, and overall well-being scores).

An Image Showing the Relationship between Motor Scores and Microglia

Regional microglia morphological changes are highly correlated with the clinical composite (motor) scores (r=0.83).

Microglia & hTDP-43 Expressing Neurons

Spiller et al. (Spiller, 2018) found a shift in morphology from resting/homeostatic (ramified) to activated microglia during the disease “recovery” after expression of pathological TDP-43 was halted. These reactive microglia selectively cleared the neuronal hTDP-43 and there was a concomitant functional recovery. We have also observed this recovery of motor function in this model.

An Image showing a Plot of Hindlimb Clasping

When Spiller and colleagues (Spiller, 2018) blocked microgliosis with the CSF1R/c-kit inhibitor, PLX3397, during the early recovery phase, the mice failed to regain full motor function, revealing a neuroprotective role of microglia in this model.

This ability to facilitate clearance of cytoplasmic TDP-43 may be mediated via microglial-neuronal interactions (Cserép, 2021). Neuroinflammatory interactions between microglia and neurons occur at both synapses and the soma, with synaptic interactions regulating pruning, plasticity, and network synchronization. When dysfunctional, these interactions can lead to pathological synapse elimination and neurodegeneration (Clark, 2012; Pascual, 2012; Hong, 2016). Soma interactions, recently identified as critical for monitoring neuronal health, can provide neuroprotection or, when dysregulated, contribute to chronic inflammation and neuronal death (Salter, 2017; Cserép, 2021).

The arrow on the microscopy image from the motor cortex indicates potential contact points between the neuron soma and microglial processes. Our team is actively analyzing these glial-neuronal interactions and their roles in disease pathogenesis.

References

Clark, A.K., Malcangio, M. Microglial signalling mechanisms: cathepsins and fractalkine. Exp. Neurol., 234: 283–292, 2012; doi: 10.1016/J.EXPNEUROL.2011.09.012

Cserép, C., Pósfai, B., Dénes, A. Shaping neuronal fate: functional heterogeneity of direct microglia-neuron interactions. Neuron, 109: 222-240, 2021; doi: 10.1016/j.neuron.2020.11.007

Hong, S., Beja-Glasser, V.F., Nfonoyim, B.M., Frouin, A., Li, S., Ramakrishnan, S., Merry, K.M., Shi, Q., Rosenthal, A., Barres, B.A., Lemere, C.A., Selkoe, D.J., Stevens, B. Complement and microglia mediate early synapse loss in Alzheimer mouse models. Science, 352: 712–716, 2016; doi: 10.1126/SCIENCE.AAD8373

Igaz, L.M., Kwong, L.K., Lee, E.B., Chen-Plotkin, A., Swanson, E., Unger, T., Malunda, J., Xu, Y., Winton, M.J., Trojanowski, J.Q., Lee, V.M.-Y.. Dysregulation of the ALS-associated gene TDP-43 leads to neuronal death and degeneration in mice. J. Clin. Invest., 121: 726–738, 2011; doi: 10.1172/jci44867

Pascual, O., Achour, S. Ben, Rostaing, P., Triller, A., Bessis, A. Microglia activation triggers astrocyte-mediated modulation of excitatory neurotransmission. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109: 2012; doi: 10.1073/PNAS.1111098109

Salter, M.W., Stevens, B. Microglia emerge as central players in brain disease. Nat. Med., 23: 1018–1027, 2017; doi: 10.1038/NM.4397

Spiller, K. J., Restrepo, C. R., Khan, T., Dominique, M. A., Fang, T. C., Canter, R. G., Roberts, C. J., Miller, K. R., Ransohoff, R. M., Trojanowski, J. Q., Lee, V. M. Y. Microglia-mediated recovery from ALS-relevant motor neuron degeneration in a mouse model of TDP-43 proteinopathy. Nat. Neurosci., 21: 329–340, 2018; doi: 10.1038/s41593-018-0083-7

Vargas, M.R., Johnson, J.A. Astrogliosis in amyotrophic lateral sclerosis: role and therapeutic potential of astrocytes. Neurotherapeutics, 7: 471-81, 2010; doi: 10.1016/j.nurt.2010.05.012

Walker, A.K., Spiller, K.J., Ge, G., Zheng, A., Xu, Y., Zhou, M., Tripathy, K., Kwong, L.K., Trojanowski, J.Q., Lee, V.M.-Y. Functional recovery in new mouse models of ALS/FTLD after clearance of pathological cytoplasmic TDP-43. Acta Neuropathol., 130: 643-660, 2015; doi: 10.1007/s00401-015-1460-x

Table of Contents
Control Panel
Section: Coronal Brain
Channels

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자주 묻는 질문

TDP43 트랜스제닉 모델에서 질병 변형이 입증되었습니까?


"핵 현지화 신호"란 무엇입니까?


Biospective의 "Low Dox" 마우스 모델이 기존 모델에 비해 어떤 이점이 있습니까?


TDP43 마우스에서 인산화된 TDP43 응집체가 관찰됩니까?


BiospectiveTDP43 트랜스제닉 모델 에서 어떤 종류의 치료제를 평가했습니까?


Biospective는 TDP43 트랜스제닉 ALS 모델에서경구 투여를 수행할 수 있습니까?


Biospective의 ALS의 "Low Dox" 마우스 모델에 대한 연구는 얼마나 오래 진행되고 있습니까?


쥐를 연구에 바로 사용할 수 있습니까?


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