Cesta k pokroku Předklinické studie věkem podmíněných neurodegenerativních onemocnění: Pohled na hlodavce a modely odvozené od HiPSC, část 5

Výhody buněčných systémů odvozených od hiPSC a modelů onemocnění

Vylepšené platformy pro modelování onemocnění a objevování léků

Potenciál in vitro modelů založených na hiPSC být vysoce informativní pro NDD s výzkumem lidských genetických komponent je vysoký.

Vztah mezi lidskou genetikou a pamětí je velmi diskutovaným problémem zejména v moderní společnosti, kde se zaměřujeme na osobní rozvoj a učení. Přestože naše genetická informace určuje naše základní vlastnosti při narození, paměť se liší od pevných charakteristik, jako je naše výška a barva pleti. Místo toho se dá kultivovat a vylepšovat a hraje důležitou roli v každodenním životě.

Za prvé, vědecký výzkum ukazuje, že paměť přímo nesouvisí s genetickými geny. Přestože se někteří lidé rodí chytřejší než jiní, z dlouhodobého hlediska lze paměť postupně zlepšovat učením a kultivací. V našem procesu učení od základní školy až po univerzitu musíme neustále používat a zlepšovat svou paměť, abychom zlepšili svůj akademický výkon. Například si pamatujeme problémy a řešení opakovaným opakováním a cvičením, což pomáhá cvičit naši paměťovou schopnost.

Za druhé, zdravý životní styl také hodně pomáhá naší paměti. Fyzické zdraví má velký vliv a vliv na paměť, jako je dostatečný spánek, zdravá strava a mírné cvičení. Začínáme u vlastního těla a zdraví se udržujeme cvičením a zdravým životním stylem, díky kterému bude naše paměť jasnější a bystřejší.

Konečně si také můžeme rozšířit paměťovou schopnost neustálým rozšiřováním obzorů a účastí na různých nových věcech. Můžeme se například pokusit naučit se nový jazyk a zúčastnit se společenských aktivit, jako je cestování, a tyto zážitky mohou v naší mysli vytvořit více vzpomínek.

Stručně řečeno, vztah mezi lidskou genetikou a pamětí je složitý a různorodý a samozřejmě budou existovat odpovídající rozdíly založené na osobních genetických rozdílech. Ale neměli bychom ignorovat to, co můžeme udělat: zlepšení paměti a schopnosti sebeovládání prostřednictvím neustálého učení, zdravého života a neustálého rozšiřování našich obzorů je pro nás nejlepší způsob, jak překonat genetické rozdíly. Je vidět, že potřebujeme zlepšit naši paměť a Cistanche dokáže výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche je tradiční čínská medicína s mnoha unikátními účinky, z nichž jedním je zlepšení paměti. Účinnost Cistanche pochází z jeho různých aktivních složek, včetně kyseliny tříslové, polysacharidů, flavonoidních glykosidů atd. Tyto složky mohou podporovat zdraví mozku mnoha způsoby.

Kliknutím na možnost Know zlepšíte krátkodobou paměť

Schopnost korelovat kandidátní geny NDD s buněčnými fenotypy, jako jsou profily exprese RNA a proteinů, morfologické změny a biochemické podpisy v buňkách odvozených od hiPSC, usnadňuje studie zabývající se tím, jak jsou lidské genetické složky komplexních NDD, jako jsou AD a PD, exprimovány na buněčná úroveň.

Navíc hiPSC umožňují začlenění genetické komplexity základního genetického pozadí pacienta do modelu, což je často negováno (např. chemické modely) nebo příliš zjednodušeno (např. monogenetické varianty zvířecích modelů).

Je dobře známo, že nástup, progrese a závažnost neurodegenerace jsou určeny komplexními genetickými faktory a souhrou několika genetických variant s relativně malými účinky.

Tato vrozená genetická krajina zachycená v modelech hiPSC odvozených od pacientů nám umožňuje zkoumat genetické determinanty a biologické faktory spojené se schopností generovat modulární, vysoce přesné in vitro modely NDD, abychom mohli stavět na našem současném chápání biologie nemocí. Technologie hiPSC v současnosti představuje jedinou dostupnou lidskou - založené modely, ve kterých je zachycena úplná genetická krajina pacientů.

Také možnost použít technologie pro úpravu genomu, jako je CRISPR-Cas9, pomocí hiPSC umožnila generování ofisogenních modelů pro hodnocení přesných genetických variant. Kromě škálovatelnosti jsou hiPSC samoobnovitelné.

Modely odvozené od hiPSC tedy představují přední slibný systém pro preklinické studie. Navíc lidská genetická rozmanitost zachycená v kapacitě hiPSC odvozené od pacienta je činí vhodnými pro hodnocení přístupů „personalizované medicíny“.

Schopnost účinně skrínovat jednotlivé reakce na léčbu a identifikovat osoby, které nereagují nebo špatně reagují před podáním v klinickém prostředí, dále zdůrazňuje vhodnost modelů odvozených od hiPSC pro preklinická hodnocení (obrázek 2).

Souhrnně jsou potenciální informace generované prostřednictvím preklinických studií v modelech hiPSC robustní, relevantní pro lidské subjekty a je nezbytné je implementovat do návrhu klinických zkoušek (např. stratifikace subjektů studie), aby se zlepšila přesnost výsledků.

Překonávání limitů zvířecích modelů

hiPSC nabízejí způsob, jak překonat mnoho problémů přítomných v současných zvířecích modelech, jak bylo diskutováno dříve. Za prvé, modely odvozené od iPS poskytují platformu založenou na člověku pro hodnocení potenciálních terapeutik ve skutečné genetické krajině lidské choroby.

Za druhé, odvozením buněk od pacientů se obchází mnoho technických problémů týkajících se nejlepšího způsobu modelování mutací lidských onemocnění, protože model obsahuje jedinečné genetické pozadí pacienta. Za třetí, buňky hiPSC jsou snadno dostupné pro genetickou a farmakologickou manipulaci, což umožňuje vysoce výkonné strukturální a funkční testy, které hodnotí fenotyp onemocnění.

Za tímto účelem jsme nedávno vyvinuli model neuronů DA odvozený od hiPSC získaný od pacienta s PD s triplikací SNCA, abychom vyhodnotili all-in-one LV GT zaměřené na snížení hladin SNCA. Naše intervence LV úspěšně snížila hladiny SNCA a zachránila fenotypy související s onemocněním prostřednictvím vytváření reaktivních oxidativních druhů (ROS) a zachování buněčné životaschopnosti.140

Za čtvrté, ve srovnání se standardním modelem hlodavců lze generování modelů založených na hiPSC in vitro dosáhnout ve výrazně kratší časové ose, v řádu 30 dnů, na rozdíl od zvířecích modelů, které se mohou pohybovat v širokém rozmezí měsíců až let.

Za páté, a v souladu s předchozím bodem, modely založené na hiPSC jsou podstatně levnější a energeticky náročné než modely pro hlodavce, zejména pokud se berou v úvahu povinnosti a infrastruktura v oblasti chovu zvířat, předpisy, jakož i požadavky na školení a dodržování předpisů. Stále více ekonomické preklinické modelování onemocnění zvyšuje dostupnost pro výzkumné skupiny pro hodnocení domnělých terapeutik, zlepšuje přeložitelnost a v konečném důsledku zlepšuje efektivitu vývoje DMT.202

Celkově tyto výhody dávají modelům odvozeným od PSC výraznou výhodu při studiu neurodegenerace a takové modely mají potenciál generovat nové objevy, které byly v předchozích modelech buněčných kultur a zvířecích chorob nedostupné.

Zde recenzované studie prokazují nezbytnost a hodnotu začlenění 2D a 3D modelů založených na hiPSC ve studiích mechanismu NDD objasňujících faktory podílející se na příčinách onemocnění a patogenních drahách, stejně jako v translačních studiích a studiích objevů léčiv, jako je identifikace a validace terapeutických cílů. .

Modely NDD odvozené od hiPSC společně představují skok vpřed v lékařském výzkumu prostřednictvím vylepšeného modelování nemocí, které je značně proveditelné, s relativně kratšími experimenty, které jsou nákladově efektivní a snad nejdůležitější, přesné a vhodné pro modelování lidských nemocí.

Obrázek 2. Schéma vylepšeného DMT procesu vývoje léčiv pro NDD prostřednictvím zvýšeného začlenění a/nebo substituce modelů odvozených od hiPSC Vývoj jakéhokoli domnělého DMT začíná fází objevu, která zahrnuje jak identifikaci příslušných genových cílů, tak mechanismy onemocnění.

Následné modely onemocnění jsou navrženy v časné preklinické fázi za účelem prozkoumání patofyziologie buněčného onemocnění a validace cílů léků, jakož i časného screeningu a optimalizace časných CGT-IP/DMT. Progresivní vývoj DMT, včetně dalšího vývoje modelu a cílové validace, stejně jako zkoumání mimocílových efektů, probíhá během střední preklinické fáze.

Jak DMT postupuje, další informace týkající se farmakokinetické a farmakodynamické aktivity se získávají v pozdní preklinické fázi. Zvýšené používání modelů odvozených od hiPSC v těchto fázích představuje atraktivní zlepšení stávajícího kanálu vývoje léků z několika důvodů; jmenovitě jsou nákladově efektivní, všestranné, a co je nejdůležitější, překonávají mnohá vrozená omezení existujících zvířecích modelů NDD.

V této fázi mohou být předloženy aplikace IND pro domnělé DMT, které v současné době obsahují 4 kritické cíle, které musí být splněny s každým vznikajícím DMT, zejména CGT-IP: (1) výběr cíle, (2) vývoj a optimalizace hlavní sloučeniny, (3) počáteční a eskalující režim dávkování a (4) stanovení proveditelnosti a ROA.

Každý z nich může být přesně a vhodně adresován náhradou modelů založených na hiPSC v preklinických studiích. DMT pak mohou získat souhlas FDA k zahájení klinických studií.

Může být zahrnuto začlenění modelů založených na hiPSC v další fázi 1a, což usnadňuje lepší screening kandidátů ve fázi náboru a identifikaci potenciálních nereagujících nebo slabě reagujících na základě preklinických genetických studií.

DMT s prokazatelnou bezpečností ve fázi 1a poté procházejí fází 1, 2 a 3 klinickými studiemi, po nichž ty s významným pozitivním účinkem obdrží regulační schválení pro aplikaci nového léčiva (NDA) a jsou uvolněny pro spotřebitelské použití s ​​nepřetržitým farmakovigilancem k identifikaci všech dříve neidentifikovaných nepříznivé výsledky v průběhu času.

Omezení modelů in vitro odvozených od hiPSC Čas a reprodukovatelnost

Kultivační technologie hiPSC se objevily v posledním desetiletí a jejich využití pro modelování onemocnění a preklinické hodnocení domnělých DMT je relativně nové.

Stejně jako u každé nové technologie je třeba při pokusu o přesné obnovení biologických charakteristik NDD zvážit několik omezení. Za prvé a především, kultivace hiPSC a generování přesných a spolehlivých buněčných modelů může být drahé, pracné a časově náročné. V průměru stojí 10 $,000 až 25 USD,000 ověření linií hiPSC podle vhodného standardu pro lékařský výzkum.203

Procesy přeprogramování, diferenciace a zrání se prodlužují. Buněčné přeprogramování startovací tkáně na hiPSC může trvat alespoň 20 až 30 dní151 a následná buněčná diferenciace a zrání se liší v závislosti na požadovaném buněčném typu a použité metodě; například generování zralých neuronů, astrocytů a mikrogliakanů vyžaduje kdekoli od 6 do 15 týdnů,204 4 do 9 týdnů,205,206 nebo 5 až 9 týdnů,164,207 v tomto pořadí.

Výsledkem je, že výzkumníci často preferují použití progenitorových buněk jako stabilních meziproduktů pro experimentování, protože jsou široce reprezentativní pro cílový typ buňky a mohou být generovány v rychlejším časovém rámci. představují problém mnoha výzkumných skupin.

Kromě toho je při modelování NDD také zvažován čas potřebný pro vývoj klíčových buněčných fenotypů spojených s onemocněním v buňkách odvozených od hiPSC. Zatímco u pacientů trvá desetiletí života, než se projeví klinické a patologické symptomy, molekulární fenotypy související s onemocněním v modelech odvozených od hiPSC byly detekovány asi 2 měsíce po zrání.208

Nicméně omezení pramení z omezené životnosti inkultury modelů založených na hiPSC, která nemusí být dostatečná pro vytvoření úplného obrazu připomínajícího onemocnění na buněčné a tkáňové úrovni.

Strategie zaměřené na urychlení procesu diferenciace a zrání, jako je začlenění Notch a inhibitorů g-sekretázy ke zkrácení doby zrání,209 a neurogenin-2 (Ngn2) nebo nadměrná exprese NeuroD1158 byly částečně úspěšné a přinesly další obavy z ektopické exprese.

Další omezení souvisí s reprodukovatelností systémů v opakovaných experimentech a inherentní variabilitou modelu od modelu, včetně překážek týkajících se čistoty kultur odvozených z hiPSC a přítomnosti nežádoucích heterogenních buněčných populací.210

Je tedy důležité vzít v úvahu heterogenitu v buněčných populacích při použití modelů onemocnění odvozených z hiPSC, zejména při screeningu DMT a hodnocení účinnosti. Navíc se uvádí, že kultury hiPSC vykazují genomovou nestabilitu a jsou náchylné k získání genetických aberací a mutací během buněčné expanze a přeprogramování.211

Rovněž je třeba věnovat pozornost používání izogenních linií generovaných různými technikami úpravy genomu, protože mohou nastat potenciální účinky mimo cíl (např. nezamýšlená klonální variabilita mezi izogenními liniemi a mutageneze mimo cíl).212,213 Proto je důležité pravidelně vyhodnocovat genomová stabilita hiPSC pro zajištění přísného screeningu DMT.

Výzvy v rekapitulaci sporadické patofyziologie NDD a buněčných fenotypů

Složitost NDD a nedostatek komplexní charakterizace a mechanického pochopení jejich buněčných fenotypů vyžadují schopnost rekapitulovat je s buněčnými modely, včetně systémů založených na hiPSC.

Příčiny NDD jsou komplexní a multifaktoriální, včetně polygenních rizikových faktorů (tj. multigenů a variant), epigenetických známek, stárnutí, pohlaví a environmentálních faktorů, jako jsou spouštěče oxidačního stresu, z nichž některé je obtížné vyvolat, konkrétně v nekonečném seznamu různých kombinace v laboratorním systému.

Kromě toho je většina modelů AD-PD odvozených z hiPSC odvozena od pacientů s familiárními mutacemi, které představují pouze velmi malý podíl na celkových případech. hiPSCs a fibroblasty získané od pacientů se sAD nebo sporadickou PD.

K dosažení tohoto cíle se v posledních letech objevily iniciativy buněčných úložišť pacientů; mezi ně patří Applied StemCell (ASC), California Institute for Regenerative Medicine (CiRA), Cedars Sinai Induced Pluripotent Stem Cell Core, Evropská banka pro indukované pluripotentní kmenové buňky (EBiSC), Korean National Stem Cell Bank (KSCB), National Institute of Aging (NIA) , National Institute of Neurological Disordersand Stroke (NINDS), National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) a WiCell Research Institute (WiCell) (tabulka S2).

Očekávaný růst těchto sbírek usnadní vytvoření modelů odvozených od hiPSC, které jsou vhodnější pro výzkum běžného sAD a sporadické PD.

Nicméně modely hiPSC odvozené od sporadických pacientů s NDD produkují vhodné buněčné fenotypy charakteristické pro AD181 a PD216 při environmentálních manipulacích, jako je expozice neurotoxinům a chemická indukce oxidačního stresu.

Nedávná studie také odhalila změny v expresi mitochondriálních proteinů a zvýšený oxidační stres u hiPSC generovaných u pacientů s sAD, a to i přes výrazný nedostatek patologie Ab a tau, 217 což naznačuje, že modely hiPSC mohou odhalit cenný pohled na nuanční patofyziologii specifickou pro sporadické podtypy NDD.

Kromě toho nedávná studie Meyera et al.218 použila hiPSC odvozené od pacientů se sAD a zjistila, že MAPT, kódující protein tau, byl významně zvýšen v buňkách odvozených od sAD ve srovnání se zdravými kontrolami.

Navzdory těmto výzvám jsou tedy současné modely odvozené od hiPSC vynikajícími náhradami, které poskytují příležitost napodobit patofyziologii onemocnění a stanovit charakteristiky onemocnění zlatého standardu s úplným genetickým základem u sporadických pacientů, které lze využít jako výsledná opatření ke zlepšení následujících modelů onemocnění.

For more information:1950477648nn@gmail.com