Stem cell-based therapy for Alzheimer’s disease

Review
УДК 616.894-053.8:615.3
DOI: 10.57034/2618723X-2024-01-06

E.V. Belousova1,2*,
postgraduate student, research assistant,
https://orcid.org/0000-0003-2511-5173
D.I. Salikhova1,2,
PhD in Biology, Senior Researcher,
https://orcid.org/0000-0001-7842-7635
V.O. Nebogatikov3,
PhD in Biology, Senior Researcher,
https://orcid.org/0000-0002-2454-9255
A.A. Ustyugov3,
Doctor of Biology, Head of IPAC RAS,
https://orcid.org/0000-0003-1977-4797
D.V. Goldshtein1,2,
Doctor of Biology, Head of Laboratory,
https://orcid.org/0000-0003-2438-1605

1 Research Institute of Molecular and Cellular Medicine, RUDN Medical Institute,
117198, Russia, Moscow, Miklukho-Maklaya St., 6.
2 Federal State Budgetary Institution “Research Medical Genetic Center named after N. P. Bochkov”,
115522, Russia, Moscow, Moskvorechye St., 1.
3 Institute of Physiologically Active Compounds of Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of the Russian Academy of Sciences,
142432, Russia, Moscow region, Chernogolovka, Severny proezd, 1.

*E-mail: [email protected]

Keywords: Alzheimer disease β-amyloid stem cells neuroprotection
Acknowledgements

This study was supported by a grant from the Russian science foundation (project no. 23-15‑00362).

For citation:

Belousova E.V., Salikhova D.I., Nebogatikov V.O, Ustyugov A.A., Goldshtein D.V. Stem cell-based therapy for Alzheimer’s disease. Laboratory Animals for Science. 2024; 1. https://doi.org/10.57034/2618723X-2024-01-06

Abstract

Alzheimer’s disease is a neurodegenerative disease characterized by extracellular accumulation of β-amyloid and intracellular aggregation of hyperphosphorylated tau into neurofibrillary tangles in the brain. It leads to progressive memory impairment and loss of daily living skills. Currently, there is no effective treatment for this disease, but the potential of stem cells for the therapy of neurodegenerative pathologies, inclu­ding Alzheimer’s disease, is being actively explored. Stem cell-secreted growth factors, extracellular vesicles can attenuate neuroinflammation and slow down cognitive deterioration during disease progression. This review highlights progress in preclinical studies using mouse models of different stem cell types as treatment stra­tegies for Alzheimer’s disease and provides insights into their translational applications. The article reviews the benefits, therapeutic effects and prospects of stem cells and their differentiating descendants, and provides current information on the mechanisms by which different types of stem and pluripotent cells are involved endogenous neurogenesis in Alzheimer’s disease. The data presented in this review contain information on cell therapy methods, both those already used in clinical practice and those being studied in various models, including transgenic mice. In the future, effective methods of obtaining and delivering of stem cells and their pro­ducts to achieve significant clinical results in patients with Alzheimer’s disease will be developed.

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest.

Authors contribution

E.V. Belousova — literature analysis, writing and editing the text of the article.
D.I. Salikhova, V.O. Nebogatikov — editing the text of the article, approval of the final version for publication.
A.A. Ustyugov — significant contribution to the concept of the work, agreement to be responsible for all aspects of the work.
D.V. Goldstein — significant contribution to the concept of the work.

References

  1. Bagheri-Mohammadi S. Stem cell-based therapy as a promising approach in Alzheimer’s disease: Current perspectives on novel treatment // Cell Tissue Bank. 2021. Vol. 22. N. 3. P. 339–353. DOI: 10.1007/s10561-020-09896-3.
  2. Ho J.K., Nation D.A. Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative. Neuropsychological Profiles and Trajectories in Preclinical Alzheimer’s Disease // J. Int. Neuropsychol Soc. 2018. Vol. 24. N. 7. P. 693–702. DOI: 10.1017/S135561771800022X.
  3. Bali P., Lahiri D.K., Banik A., Nehru B., Anand A. Potential for Stem Cells Therapy in Alzheimer’s Disease: Do Neurotrophic Factors Play Critical Role? // Curr. Alzheimer Res. 2017. Vol. 14. N. 2. P. 208–220. DOI: 10.2174/1567205013666160314145347.
  4. Agatonovic-Kustrin S., Kettle C., Morton D.W. A molecu­lar approach in drug development for Alzheimer’s dise­ase // Biomed. Pharmacother. 2018. Vol. 106. P. 553–565. DOI: 10.1016/j.biopha.2018.06.147.
  5. Kabir M.T., Uddin M.S., Mamun A.A. et al. Combination drug therapy for the management of Alzheimer’s disease // Int. J. Mol. Sci. 2020. Vol. 21. N. 9. P. 3272. DOI: 10.3390/ijms21093272.
  6. Gao L., Zhang Y., Sterling K., Song W. Brain-derived neurotrophic factor in Alzheimer’s disease and its pharmaceutical potential // Transl. Neurodegener. 2022. Vol. 11. N. 1. P. 4. DOI: 10.1186/s40035-022-00279-0.
  7. Craft S., Raman R., Chow T.W. et al. Safety, Efficacy, and Feasibility of Intranasal Insulin for the Treatment of Mild Cognitive Impairment and Alzheimer Disease Dementia: A Randomized Clinical Trial // JAMA Neurol. 2020. Vol. 77. N. 9. P. 1099–1109. DOI: 10.1001/jamaneurol.2020.1840.
  8. De la Torre J.C. Treating cognitive impairment with transcranial low level laser therapy // J. Photochem. Photobiol. 2017. Vol. 168. P. 149–155. DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2017.02.008.
  9. Wu A.J., Tong B.C., Huang A.S., Li M., Cheung K.H. Mitochondrial Calcium Signaling as a Therapeutic Target for Alzheimer’s Disease // Curr. Alzheimer. Res. 2020. Vol. 17. N. 4. P. 329–343. DOI: 10.2174/1567205016666191210091302.
  10. Dhana K., Evans D.A., Rajan K.B., Bennett D.A., Morris M.C. Healthy lifestyle and the risk of Alzheimer dementia: Findings from 2 longitudinal stu­dies // Neurology. 2020. Vol. 95. N. 4. P. e374–e383. DOI: 10.1212/WNL.0000000000009816.
  11. Chakari-Khiavi F., Dolati S., Chakari-Khiavi A. et. al. Prospects for the application of mesenchymal stem cells in Alzheimer’s disease treatment // Life Sci. 2019. Vol. 231. P. 116564. DOI: 10.1016/j.lfs.2019.116564.
  12. Duncan T., Valenzuela M. Alzheimer’s disease, dementia, and stem cell therapy // Stem Cell Res Ther. 2017. Vol. 8. N. 1. P. 111. DOI: 10.1186/s13287-017-0567-5.
  13. Lucke-Wold B.P., Logsdon A.F., Manoranjan B. et al. Aneurysmal Subarachnoid Hemorrhage and Neuroinflammation: A Comprehensive Review // Int. J. Mol. Sci. 2016. Vol. 17. N. 4. P. 497. DOI: 10.3390/ijms17040497.
  14. Kim J., Lee Y., Lee S. et al. Mesenchymal Stem Cell The­rapy and Alzheimer’s Disease: Current Status and Future Perspectives // J. Alzheimer’s Dis. 2020. Vol. 77. N. 1. P. 1–14. DOI: 10.3233/JAD-200219.
  15. Hosseini S.A., Mohammadi R., Noruzi S. et al. Stem cell- and gene-based therapies as potential candidates in Alzheimer’s therapy // J. Cell Biochem. 2018. Vol. 119. N. 11. P. 8723–8736. DOI: 10.1002/jcb.27202.
  16. Boese A.C., Hamblin M.H., Lee J.P. Neural stem cell the­rapy for neurovascular injury in Alzheimer’s disease // Exp. Neurol. 2020. Vol. 324. P. 113112. DOI: 10.1016/j.expneurol.2019.113112.
  17. McGinley L. M., Kashlan O.N., Bruno E.S. et al. Human neural stem cell transplantation improves cognition in a murine model of Alzheimer’s disease // Sci. Rep. 2018. Vol. 8. N. 1. P. 14776. DOI: 10.1038/s41598-018-33017-6.
  18. Hayashi Y., Lin H.T., Lee C.C., Tsai K.J. Effects of neural stem cell transplantation in Alzheimer’s disease models // J. Biomed. Sci. 2020. Vol. 27. N. 1. P. 29. DOI: 10.1186/s12929-020-0622-x.
  19. Apodaca L.A., Baddour A.A. D., Garcia C.Jr. et al. Human neural stem cell-derived extracellular vesicles mitigate hallmarks of Alzheimer’s disease // Alzheimer’s Res. Ther. 2021. Vol. 13. N. 1. P. 57. DOI: 10.1186/s13195-021-00791-x.
  20. Revuelta M., Urrutia J., Villarroel A., Casis O. Microglia-Mediated Inflammation and Neural Stem Cell Differentiation in Alzheimer’s Disease: Possible Therapeutic Role of K(V)1.3 Channel Blockade // Front. Cell. Neurosci. 2022. Vol. 16. P. 868842. DOI: 10.3389/fncel.2022.868842.
  21. Perez-Alvarez A., Araque A. Astrocyte-neuron interaction at tripartite synapses // Current drug targets. 2013. Vol. 14. N. 11. P. 1220–1224. DOI: 10.2174/13894501113149990203.
  22. Araque A., Carmignoto G., Haydon P. G. et al. Gliotransmitters travel in time and space // Neuron. 2014. Vol. 81. N. 4. P. 728–739. DOI: 10.1016/j.neuron.2014.02.007.
  23. Fiacco T.A., McCarthy K.D. Multiple lines of evidence indicate that gliotransmission does not occur under physiological conditions // J. Neuroscience. 2018. Vol. 38. N. 1. P. 3–13. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0016-17.2017.
  24. Guo M., Yin Z., Chen F., Lei P. Mesenchymal stem cell-derived exosome: A promising alternative in the therapy of Alzheimer’s disease // Alzheimer’s Res. Ther. 2020. Vol. 12. N. 1. P. 109. DOI: 10.1186/s13195-020-00670-x.
  25. Reza-Zaldivar E.E., Hernández-Sapiéns M.A., Gutiérrez-Mercado Y.K. et al. Mesenchymal stem cell-derived exosomes promote neurogenesis and cognitive function recovery in a mouse model of Alzheimer’s disease // Neural Regen. Res. 2019. Vol. 14. N. 9. P. 1626–1634. DOI: 10.4103/1673-5374.255978.
  26. Nakano M., Kubota K., Kobayashi E. et al. Bone marrow-derived mesenchymal stem cells improve cognitive impairment in an Alzheimer’s disease model by increasing the expression of microRNA-146a in hippocampus // Sci. Rep. 2020. Vol. 10. N. 1. P. 10772. DOI: 10.1038/s41598-020-67460-1.
  27. Wei H., Xu Y., Chen Q. et al. Mesenchymal stem cell-derived exosomal miR-223 regulates neuronal cell apoptosis // Cell Death Dis. 2020. Vol. 11. N. 4. P. 290. DOI: 10.1038/s41419-020-2490-4.
  28. Kim H.J., Cho K.R., Jang H. et al. Intracerebroventricular injection of human umbilical cord blood mesenchymal stem cells in patients with Alzheimer’s disease dementia: A phase I clinical trial // Alzheimer’s Res. Ther. 2021. Vol. 13. N. 1. P. 154. DOI: 10.1186/s13195-021-00897-2.
  29. Kim D.Y., Choi S.H., Lee J.S. et al. Feasibility and Efficacy of Intra-Arterial Administration of Embryonic Stem Cell Derived-Mesenchymal Stem Cells in Animal Model of Alzheimer’s Disease // J. Alzheimer’s Dis. 2020. Vol. 76. N. 4. P. 1281–1296. DOI: 10.3233/JAD-200026.
  30. Blurton-Jones, M., Kitazawa M., Martinez-Coria H. et al. Neural stem cells improve cognition via BDNF in a transgenic model of Alzheimer disease // Proc. Natl. Acad.Sci. USA. 2009. Vol. 106. N. 32. P. 13594–13599. DOI: 10.1073/pnas.0901402106.
  31. Fouad G.I. Stem cells as a promising therapeutic approach for Alzheimer’s disease: A review // Bull. Natl.Res. Cent. 2019. Vol. 43. P. 52. DOI: 10.1186/s42269-019-0078-x.
  32. Moghadam F.H., Alaie H., Karbalaie K. et al. Transplantation of primed or unprimed mouse embryo­nic stem cell-derived neural precursor cells improves cognitive function in Alzheimerian rats // Differentiation. 2009. Vol. 78. N. 2–3. P. 59–68. DOI: 10.1016/j.diff.2009.06.005.
  33. Wang Q., Matsumoto Y., Shindo T. et al. Neural stem cells transplantation in cortex in a mouse model of Alzheimer’s disease // J. Med. Invest. 2006. Vol. 53. N. 1–2. P. 61–69. DOI: 10.2152/jmi.53.61.
  34. Yue W., Li Y., Zhang T. et al. ESC–Derived Basal Forebrain Cholinergic Neurons Ameliorate the Cognitive Symptoms Associated with Alzheimer’s Disease in Mouse Models // Stem Cell Rep. 2015. Vol. 5. N. 5. P. 776–790. DOI: 10.1016/j.stemcr.2015.09.010.
  35. Liu Y., Weick J.P., Liu H. et al. Medial ganglionic emi­nence-like cells derived from human embryonic stem cells correct learning and memory deficits // Nat. Biotechnol. 2013. Vol. 31. N. 5. P. 440–447. DOI: 10.1038/nbt.2565.
  36. Atkinson-Dell R., Mohamet L. Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Astroglia: A New Tool for Research towards the Treatment of Alzheimer’s Disease // Adv. Exp. Med. Biol. 2019. Vol. 1175. P. 383–405. DOI: 10.1007/978-981-13-9913-8_15.
  37. Butler Iii R.R., Kozlova A., Zhang H. et al. The Genetic Relevance of Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Microglia to Alzheimer’s Disease and Major Neuropsychiatric Disorders // Mol. Neuropsychiatry. 2020. Vol. 5. Suppl. 1. P. 85–96. DOI: 10.1159/000501935.
  38. Zhang L., Xu M., Ren Q. et al. Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Neural Cells from Alzheimer’s Disease Patients Exhibited Different Susceptibility to Oxidative Stress // Stem Cells Dev. 2020. Vol. 29. N. 22. P. 1444–1456. DOI: 10.1089/scd.2020.0103.
  39. Kolagar T.A., Farzaneh M., Nikkar N., Khoshnam S.E. Human Pluripotent Stem Cells in Neurodegenerative Diseases: Potentials, Advances and Limitations // Curr. Stem Cell Res. Ther. 2020. Vol. 15. N. 2. P. 102–110. DOI: 10.2174/1574888X14666190823142911.
  40. Aboul-Soud M.A. M., Alzahrani A.J., Mahmoud A. Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) — Roles in Regenerative Therapies, Disease Modelling and Drug Screening // Cells. 2021. Vol. 10. N. 9. P. 2319. DOI: 10.3390/cells10092319.
  41. Armijo E., Edwards G., Flores A. et al. Induced Pluripo­tent Stem Cell-Derived Neural Precursors Improve Memory, Synaptic and Pathological Abnormalities in a Mouse Model of Alzheimer’s Disease // Cells. 2021. Vol. 10. N. 7. P. 1802. DOI: 10.3390/cells10071802.
  42. Games D., Adams D., Alessandrini R. et al. Alzheimer-type neuropathology in transgenic mice overexpressing V717Fbeta-amyloid precursor protein // Nature. 1995. Vol. 373. N. 6514. P. 523–527. DOI: 10.1038/373523a0.
  43. Fujiwara N., Shimizu J., Takai K. et al. Restoration of spatial memory dysfunction of human APP transgenic mice by transplantation of neuronal precursors derived from human iPS cells // Neurosci. Lett. 2013. Vol. 557. Part B. P. 129–134. DOI: 10.1016/j.neulet.2013.10.043.
  44. Oakley H., Cole S.L., Logan S. et al. Intraneuronal beta-Amyloid Aggregates, Neurodegeneration, and Neuron Loss in Transgenic Mice with Five Familial Alzheimer’s Disease Mutations: Potential Factors in Amyloid Plaque Formation // J. Neurosci. 2006. Vol. 26. N. 40. P. 10129–10140. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1202-06.2006.
  45. Takamatsu K., Ikeda T., Haruta M. et al. Degradation of amyloid beta by human induced pluripotent stem cell-derived macrophages expressing Neprilysin-2 // Stem Cell Res. 2014. Vol. 13. N. 3. Part A. P. 442–453. DOI: 10.1016/j.scr.2014.10.001.
  46. Yue C., Jing N. The promise of stem cells in the therapy of Alzheimer’s disease // Transl. Neurodegener. 2015. Vol. 4. P. 8.
    DOI: 10.1186/s40035-015-0029-x.
  47. Zhang T., Ke W., Zhou X. et al. Human Neural Stem Cells Reinforce Hippocampal Synaptic Network and Rescue Cognitive Deficits in a Mouse Model of Alzheimer’s Dise­ase // Stem Cell Reports. 2019. Vol. 13. N. 6. P. 1022–1037. DOI: 10.1016/j.stemcr.2019.10.012.
  48. Nagahara A.H., Merrill D.A., Coppola G. et al. Neuroprotective effects of brain-derived neurotrophic factor in rodent and primate models of Alzheimer’s disease // Nat. Med. 2009. Vol. 15. N. 3. P. 331–337. DOI: 10.1038/nm.1912.
  49. Nagahara A.H., Mateling M., Kovacs I. et al. Early BDNF treatment ameliorates cell loss in the entorhinal cortex of APP transgenic mice // J. Neurosci. 2013. Vol. 33. N. 39. P. 15596–15602. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.5195-12.2013.
  50. Hemmer K., Zhang M., van Wüllen T. et al. Induced neural stem cells achieve long-term survival and functional integration in the adult mouse brain // Stem Cell Reports. 2014. Vol. 3. N. 3. P. 423–431. DOI: 10.1016/j.stemcr.2014.06.017.
Received: 2023-12-01
Reviewed: 2024-02-12
Accepted for publication: 2024-02-27

You may be interested

NPO "Home of Pharmacy"

188663, Russia, Leningradskaya oblast', Vsevolozhskij rajon, g.p. Kuz'molovskij, Zavodskaya ulica, 3-245

© 2020 ООО «ИД «Русский врач»