Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder lacking highly effective disease-modifying treatment or a cure. The often-heterogenous course of ALS underlines the need for modelling the different disease aspects in multiple, distinct models to enable thorough validation of novel, putative treatments.  

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) pathophysiology  

ALS, auch bekannt als Motoneuronerkrankung oder Lou-Gehrig-Syndrom, ist eine schwere neurodegenerative Erkrankung, die die Motoneuronen im Gehirn und im Rückenmark befällt. Dies führt zu fortschreitendem und raschem Muskelschwund, Spastik und schließlich zu Lähmungen. Trotz des äußerst heterogenen klinischen Erscheinungsbildes sterben die meisten ALS-Patienten innerhalb von zwei bis drei Jahren nach Auftreten der ersten Symptome an Atemversagen. ALS steht zudem in einem Kontinuum mit der frontotemporalen Demenz (FTD).  

Obwohl die meisten ALS-Fälle sporadisch auftreten, zeigen genetische Daten, dass bei 5–10 % der Betroffenen eine familiäre Vorbelastung für ALS vorliegt, in der Regel mit autosomal-dominanter Vererbung. Die vier Gene, die für den Großteil der familiären ALS-Fälle verantwortlich sind, sind C9orf72 (40 %), SOD1 (20 %), FUS (1–5 %) sowie TARDBP (1–5 %). Darüber hinaus weisen praktisch alle ALS-Fälle zytoplasmatische Einschlüsse des aggregierten Kernproteins TDP-43 auf. Die Identifizierung mehrerer pathophysiologischer Mechanismen, die sowohl zu familiären als auch zu sporadischen ALS-Fällen führen, ermöglicht die Nachbildung dieser Mechanismen in In-vivo-Modellen, wodurch vielversprechende, auf ALS ausgerichtete Therapien präklinisch getestet werden können.  

InnoSer, ein führender Anbieter von Auftragsforschungsdienstleistungen im Bereich In-vivo-Forschung, bietet verschiedene Mausmodelle für die ALS-Forschung an. In Kombination mit sensitiven, standardisierten Verhaltenstests bieten die Mausmodelle eine für die translationale Forschung relevante Plattform zur Erprobung neuartiger, auf ALS ausgerichteter Therapien. In diesem Artikel geben wir einen Überblick über die derzeit verfügbaren ALS-Mausmodelle und deren Anwendbarkeit und stellen dabei unsere Kompetenzen und unser Fachwissen im Bereich der Auftragsforschung (CRO) vor.  Obwohl bis heute eine Vielzahl präklinischer Modelle verfügbar ist und entwickelt wurde (1), konzentrieren wir uns in diesem Artikel auf die am häufigsten verwendeten ALS-Forschungsmausmodelle.

Modellierung von ALS im Frühstadium: SOD1 Mutationen 

SOD1 spielt eine entscheidende Rolle bei der Beseitigung freier Radikale und reguliert die Expression von Genen, die an der Reaktion auf oxidativen Stress beteiligt sind. Vererbte Mutationen im SOD1-Gen Genes führen vermutlich zur intrazellulären Bildung und Anreicherung toxischer Proteinaggregate. Dies wiederum führt zu erhöhtem oxidativem Stress, der sich letztendlich in einem Rückgang der motorischen Funktionen äußert.  

Mäuse, die das menschliche Protein mit SOD1 -Mutation weisen eine signifikante SOD1-Aggregation, oxidativen Stress und den Verlust von Motoneuronen auf. Dementsprechend stellen wir bei transgenen SOD1-Mäusen im Vergleich zu ihren Wildtyp-Geschwistern signifikante motorische Probleme sowohl in motorischen Funktionstests (wie dem Griffkrafttest und dem Rotarod-Test; Abbildung 1) als auch im spontanen Verhalten (automatisierte Heimkäfige, PhenoTyper™; Abbildung 2) fest. Die Verhaltensdefizite in diesen Modellen sind bereits in jungem Alter nachweisbar und entwickeln sich progressiv, was einen großen Zeitrahmen für die Erprobung gezielter neuartiger Therapeutika bietet. Das SOD1G93A und SOD1G37R sind die am häufigsten verwendeten transgenen SOD1-Modelle für die ALS-Forschung.

ABBILDUNG 1. SOD1-Mäuse zeigen eine verminderte motorische Leistungsfähigkeit, gemessen am Rotarod-Test. Der Rotarod gilt als Goldstandard für die Beurteilung der motorischen Leistungsfähigkeit und des Lernvermögens bei Mäusen. Die Mäuse werden auf eine rotierende Stange gesetzt, deren Drehzahl schrittweise erhöht wird. Die motorische Leistungsfähigkeit wird anhand der maximalen Drehzahl (RPM, Umdrehungen pro Minute) gemessen, bei der die Mäuse noch mit der rotierenden Stange Schritt halten können. Das motorische Lernvermögen lässt sich beurteilen, indem die Mäuse über mehrere Versuche hinweg auf der Stange trainiert werden.

ABBILDUNG 2. SOD1-Mutantenmäuse zeigen in den automatischen Heimkäfigen (PhenoTyper™) fortschreitende Verhaltensänderungen, darunter eine geringere Häufigkeit, auf ihr Versteck zu klettern. 

Modelling ALS pathophysiology: TDP-43 formation and spreading 

TDP-43 proteinopathy is a pathological hallmark in almost all patients with ALS, as well as FTD and limbic-predominant age-related TDP-43 encephalopathy (LATE). Pathological accumulation of misfolded TDP-43 protein aggregates has been closely associated to the neurodegenerative phenotype observed in ALS patients.  

TDP43 Transgenic Models: 

TDP-43 transgenic models overexpress mutant forms of human TDP-43, leading to motoneuron degeneration and paralysis. TDP-43 mouse models used at InnoSer recapitulate the TDP-43 pathology and downstream functional impairments found in ALS and FTD (Figures 3-6).  

Transgene TDP-43-Modelle eignen sich am besten für die Erprobung neuartiger Therapien, die auf die mit der TDP-43-Pathologie verbundene Funktionsstörung bei der RNA-Verarbeitung und der Proteinhomöostase abzielen. Das TDP-43WT, TDP-43Q331K- sowie TDP-43A315T sind die am häufigsten verwendeten transgenen TDP-43-Modelle für die ALS-Forschung. 

ABBILDUNG 3. 4 Monate alte weibliche hemizygote Prp-TDP-43-Q331K-Mäuse (JAX #017933) zeigen eine verminderte Aktivität (PhenoTyper). Das spontane Verhalten im Zusammenhang mit der Motorik der Mäuse im automatisierten Heimkäfig (PhenoTyper) wird hochauflösend erfasst und mit AHCODA analysiert. Dabei werden hochdiskriminierende Parameter ermittelt, die Veränderungen in Bereichen wie Motorik, zirkadianem Rhythmus und anderen Bereichen erkennen.

ABBILDUNG 4. 4 Monate alte weibliche hemizygote Prp-TDP-43-Q331K-Mäuse (JAX #017933) weisen eine verminderte Muskelfunktion auf (Gewichthebetest). Der Gewichthebetest dient zur Beurteilung der Muskelausdauer bei Nagetieren. Den Mäusen werden Gegenstände mit zunehmendem Gewicht vorgelegt. Das Ergebnis dieses Tests ist das maximale Gewicht, das eine Maus 5 Sekunden lang halten kann.

ABBILDUNG 5. 4 Monate alte weibliche hemizygote Prp-TDP-43-Q331K-Mäuse (JAX #017933) weisen motorische Defizite auf (Rotarod). Der Rotarod gilt als Goldstandard für die Beurteilung der motorischen Leistungsfähigkeit und des Lernvermögens bei Mäusen. MDie Mäuse werden auf eine rotierende Stange gesetzt, wobei die Drehzahl schrittweise erhöht wird. Die motorische Leistungsfähigkeit wird anhand der maximalen Drehzahl (RPM, Umdrehungen pro Minute) gemessen, bei der die Mäuse mit der rotierenden Stange mit der rotierenden Stange Schritt halten können. Das motorische Lernen lässt sich beurteilen, indem die Mäuse über mehrere Versuche hinweg auf der Stange trainiert werden.   

ABBILDUNG 6. Eine 6 Monate alte, hemizygote Prp-TDP43-Q331K-Hündin (JAX #017933), die im Rahmen der CatWalk™-Ganganalyse untersucht wurde, zeigt abnormale Gangmuster (Schrittlänge).Das CatWalk™-Ganganalysesystem ermöglicht die Quantifizierung einer Vielzahl von Parametern im Zusammenhang mit Fußabdruck und Gangbild bei Tieren. Die Schrittlänge (cm) bezieht sich auf den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Aufsetzungen derselben Pfote. ​

TDP-43 Seeding Models:  

Bei TDP-43-Seeding-Modellen werden aus Patienten gewonnene TDP-43-Aggregate in das Gehirn von Mäusen injiziert. Die Injektion von Hirnextrakten aus diesen Erkrankungen in das Gehirn von Mäusen ahmt die strukturellen Merkmale der bei Patienten gefundenen TDP-43-Aggregate sehr genau nach und ermöglicht die Untersuchung der Ausbreitung von TDP-43-Aggregaten als therapeutischen Endpunkt. Das Neurologie-Forschungsteam von InnoSer verfügt über umfangreiche Erfahrung mit Seeding-basierten Mausmodellen, sowohl mit rekombinanten als auch mit von Patienten stammenden Seeds.  

Auswahl des am besten geeigneten Modells

InnoSer’s expert neurology team is readily equipped to consult with you to determine the best model in conjunction with readout customization to meet your specific needs and goals. Consulting with our team will allow you to carry out tailored studies while collecting the most relevant data. We also advise you on the most optimal model selection, taking in your budget and study timelines.