Differentiation and dose-ranging assessment of midbrain dopaminergic neurons from human pluripotent stem cells for treatment of Parkinson’s disease

Abstract

Human pluripotent stem cell (hPSC)-derived midbrain dopaminergic (mDA) progenitor transplantation is a promising therapeutic strategy for Parkinson’s disease (PD). For clinical applications, it is crucial to develop a differentiation method that produces mDA progenitors with high safety and efficacy from hPSCs. In this study, a differentiation protocol was developed using four small molecules, including dual-SMAD inhibiton and subsequent treatment with smoothened agonist (SAG) and CHIR99021 to produce high purity mDA progenitors from human embryonic stem cells. Preclinical assessments showed that mDA progenitors transplanted into hemi-parkinsonian rats differentiated into functional DA neurons. The transplanted mDA neurons normalized motor asymmetry, increased [18F]F-DOPA uptake, and elevated dopamine levels at 16 weeks post-transplantation. Immunohistochemical analysis demonstrated low proliferation rates and no abnormal overgrowth of the transplanted mDA progenitors, ensuring safety. Additionally, before conducting clinical trials, it is necessary to determine the range of minimal cell doses with therapeutic effect. Various doses of mDA progenitors were transplanted into hemi-parkinsonian rats, and a significant dose-dependent behavioral improvement was observed with a minimal effective dose range of 5,000–10,000 mDA progenitor cells. These results provided insights into determining a low cell dosage (3.15 million cells) for human clinical trials.

인간 전분화능 줄기세포로부터 유래한 중뇌 도파민 전구세포 이식은 파킨슨병 치료에 있어 유망한 전략으로 알려져 있다. 이러한 세포 치료의 임상 적용을 위해서는 인간 전분화능 줄기세포로부터 높은 안전성과 효능을 가진 도파민 전구세포를 생산하는 분화 방법을 개발하는 것이 중요하다. 이번 연구에서는 dual-SMAD 억제와 smoothened agonist (SAG) 및 CHIR99021을 포함한 네 가지 저분자 화합물을 사용하여 인간 배아줄기세포로부터 고순도 중뇌 도파민 전구세포를 생산하는 분화 프로토콜을 개발했다. 전임상 평가 결과, 편측 파킨슨병 쥐 모델에 이식된 도파민 전구세포가 기능적인 도파민 신경세포로 분화하여 뇌에 생착하는 것을 확인하였다. 이식된 도파민 신경세포는 이식 후 16주 시점에서 파킨슨병 쥐의 운동 기능을 정상화시키고, [18F]F-DOPA 섭취 및 도파민 양을 증가시키는 것을 확인할 수 있었다. 면역조직화학 분석에서는 이식된 도파민 전구세포의 증식률이 낮고 비정상적인 증식이 없음을 관찰하여 안전성을 확인했다. 또한 임상 시험을 진행하기 전에 치료 효과를 가진 최저 세포 용량의 범위를 결정하는 것이 필수적이다. 편측 파킨슨병 쥐 모델에 다양한 용량의 중뇌 도파민 전구세포를 이식하였을 때 용량에 따른 행동 개선이 나타났고, 효과를 보이는 최소한의 세포 용량은 5,000개에서 10,000개 사이로 관찰되었다. 이러한 결과는 인간 임상 시험에 사용될 세포의 최소 용량인 315만개를 결정하는 데 중요한 기준을 제공했다.