Cesta k pokroku Predklinické štúdie neurodegeneratívnych chorôb súvisiacich s vekom: Pohľad na hlodavce a modely odvodené od HiPSC, časť 5.

Výhody bunkových systémov odvodených od hiPSC a modelov chorôb

Vylepšené platformy na modelovanie chorôb a objavovanie liekov

Potenciál in vitro modelov založených na hiPSC byť vysoko informatívny pre NDD s výskumom ľudských genetických komponentov je vysoký.

Vzťah medzi ľudskou genetikou a pamäťou je veľmi diskutovaným problémom najmä v modernej spoločnosti, kde sa zameriavame na osobný rozvoj a učenie. Hoci naša genetická informácia určuje naše základné vlastnosti pri narodení, pamäť sa líši od pevných charakteristík, ako je naša výška a farba pleti. Namiesto toho sa dá pestovať a zlepšovať a zohráva dôležitú úlohu v každodennom živote.

V prvom rade vedecký výskum ukazuje, že pamäť priamo nesúvisí s genetickými génmi. Hoci sa niektorí ľudia narodia múdrejší ako iní, z dlhodobého hľadiska možno pamäť postupne zlepšovať učením a kultiváciou. V našom procese učenia od základnej školy až po univerzitu musíme neustále používať a zlepšovať svoju pamäť, aby sme zlepšili svoj akademický výkon. Napríklad si pamätáme problémy a riešenia opakovaným opakovaním a cvičením, čo pomáha cvičiť našu pamäťovú schopnosť.

Po druhé, zdravý životný štýl veľmi pomáha aj našej pamäti. Fyzické zdravie má veľký vplyv a vplyv na pamäť, ako je dostatočný spánok, zdravá strava a mierne cvičenie. Začneme vlastným telom a zdravím sa udržíme cvičením a zdravým životným štýlom, vďaka ktorému bude naša pamäť jasnejšia a bystrejšia.

Napokon, pamäťovú schopnosť môžeme rozširovať aj neustálym rozširovaním obzorov a participáciou na rôznych nových veciach. Môžeme sa napríklad pokúsiť naučiť sa nový jazyk a zúčastniť sa spoločenských aktivít, ako je cestovanie, a tieto skúsenosti môžu vytvoriť viac spomienok v našej mysli.

Stručne povedané, vzťah medzi ľudskou genetikou a pamäťou je zložitý a rôznorodý a samozrejme budú existovať zodpovedajúce rozdiely založené na osobných genetických rozdieloch. Nemali by sme však ignorovať to, čo môžeme urobiť: zlepšenie našej pamäti a schopnosti sebaovládania prostredníctvom neustáleho učenia sa, zdravého života a neustáleho rozširovania našich obzorov je pre nás najlepším spôsobom, ako prekonať genetické rozdiely. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť našu pamäť a Cistanche dokáže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche je tradičná čínska medicína s mnohými unikátnymi účinkami, jedným z nich je zlepšenie pamäte. Účinnosť Cistanche pochádza z rôznych aktívnych zložiek, vrátane kyseliny trieslovej, polysacharidov, flavonoidových glykozidov atď. Tieto zložky môžu podporovať zdravie mozgu mnohými spôsobmi.

Kliknite na Know, aby ste zlepšili krátkodobú pamäť

Schopnosť korelovať kandidátske gény NDD s bunkovými fenotypmi, ako sú profily expresie RNA a proteínov, morfologické zmeny a biochemické podpisy v bunkách odvodených od hiPSC, uľahčuje štúdie o tom, ako sa ľudské genetické zložky komplexných NDD, ako sú AD a PD, prejavujú na bunkovej úrovni.

Okrem toho hiPSC umožňujú začlenenie genetickej zložitosti základného genetického pozadia pacienta do modelu, ktorý je často negovaný (napr. chemické modely) alebo príliš zjednodušený (napr. zvieracie modely monogenetických variantov).

Je dobre známe, že nástup, progresia a závažnosť neurodegenerácie sú určené komplexnými genetickými faktormi a súhrou niekoľkých genetických variantov s relatívne malými účinkami.

Táto vrodená genetická krajina zachytená v modeloch hiPSC odvodených od pacienta nám umožňuje skúmať genetické determinanty a biologické faktory spojené so schopnosťou vytvárať modulárne, vysoko presné in vitro modely NDD, aby sme stavali na našom súčasnom chápaní biológie chorôb. Technológia hiPSC v súčasnosti predstavuje jedinú dostupnú ľudskú modely založené na modeloch, v ktorých je zachytená celá genetická krajina pacientov.

Možnosť použiť technológie na úpravu genómu, ako je CRISPR-Cas9, pomocou hiPSC tiež umožnila generovanie izogénnych modelov na hodnotenie presných genetických variantov. Okrem škálovateľnosti sú hiPSC samoobnoviteľné.

Modely odvodené od hiPSC teda predstavujú popredný sľubný systém pre predklinické štúdie. Navyše ľudská genetická diverzita zachytená v kapacite hiPSC odvodenej od pacienta ich robí vhodnými na hodnotenie prístupov „personalizovanej medicíny“.

Schopnosť efektívne skrínovať jednotlivé reakcie na liečbu a identifikovať nereagujúcich alebo slabo reagujúcich pred podaním v klinickom prostredí ďalej zdôrazňuje vhodnosť modelov odvodených od hiPSC na predklinické hodnotenia (obrázok 2).

Súhrnne sú potenciálne informácie generované prostredníctvom predklinických štúdií v modeloch hiPSC robustné, relevantné pre ľudské subjekty a nevyhnutné na implementáciu do návrhu klinických skúšok (napr. stratifikácia subjektov štúdie), aby sa zlepšila presnosť výsledkov.

Prekonávanie limitov zvieracích modelov

hiPSC ponúkajú spôsob, ako prekonať mnohé z problémov prítomných v súčasných modeloch založených na zvieratách, ako už bolo uvedené. Po prvé, modely odvodené od iPS poskytujú platformu založenú na ľuďoch na hodnotenie potenciálnych terapeutík v skutočnej genetickej krajine ľudskej choroby.

Po druhé, odvodením buniek od pacientov sa obchádza mnoho technických problémov týkajúcich sa najlepšieho spôsobu modelovania mutácií ľudských chorôb, pretože model obsahuje jedinečné genetické pozadie pacienta. Po tretie, bunky hiPSC sú ľahko dostupné pre genetickú a farmakologickú manipuláciu, čo umožňuje vysoko výkonné štrukturálne a funkčné testy, ktoré hodnotia fenotyp ochorenia.

Na tento účel sme nedávno vyvinuli model DA neurónov odvodený od hiPSC získaný od pacienta s PD s triplikáciou SNCA na posúdenie LV GT typu všetko v jednom zameranom na zníženie hladín SNCA. Naša intervencia LV úspešne znížila hladiny SNCA a zachránila fenotypy súvisiace s ochorením prostredníctvom vytvárania reaktívnych oxidatívnych druhov (ROS) a zachovania bunkovej životaschopnosti.140

Po štvrté, v porovnaní so štandardným modelom hlodavcov je možné vytvorenie modelov na báze hiPSC in vitro dosiahnuť vo výrazne kratšom časovom horizonte, rádovo 30 dní, na rozdiel od zvieracích modelov, ktoré sa môžu pohybovať v širokom rozmedzí mesiacov až rokov.

Po piate, a v súlade s predchádzajúcim bodom, modely založené na hiPSC sú podstatne lacnejšie a energeticky náročné ako modely pre hlodavce, najmä ak sa berú do úvahy povinnosti a infraštruktúra v oblasti chovu zvierat, predpisy, ako aj požiadavky na školenie a dodržiavanie predpisov. Čoraz viac ekonomické predklinické modelovanie chorôb zvyšuje dostupnosť pre výskumné skupiny na hodnotenie predpokladaných terapeutík, zlepšuje prekladateľnosť a v konečnom dôsledku zlepšuje efektivitu vývoja DMT.202

Celkovo tieto výhody dávajú modelom odvodeným od PSC výraznú výhodu pri štúdiu neurodegenerácie a takéto modely majú potenciál generovať nové objavy, ktoré boli neprístupné v predchádzajúcich modeloch bunkových kultúr a chorôb zvierat.

Tu preskúmané štúdie demonštrujú nevyhnutnosť a hodnotu začlenenia 2D a 3D modelov založených na hiPSC do mechanistických štúdií NDD objasňujúcich faktory podieľajúce sa na príčinách ochorenia a patogénnych dráhach, ako aj v translačných štúdiách a štúdiách objavujúcich lieky, ako je identifikácia a validácia terapeutických cieľov. .

Spoločne modely NDD odvodené od hiPSC predstavujú skok vpred v lekárskom výskume prostredníctvom vylepšeného modelovania chorôb, ktoré je značne uskutočniteľné, s relatívne kratšími experimentmi, ktoré sú nákladovo efektívne a čo je možno najdôležitejšie, presné a vhodné na modelovanie ľudských chorôb.

Obrázok 2. Schéma zlepšeného procesu vývoja liekov DMT pre NDD prostredníctvom zvýšenej inkorporácie a/alebo substitúcie modelov odvodených od hiPSC Vývoj akéhokoľvek predpokladaného DMT začína fázou objavovania, ktorá zahŕňa identifikáciu príslušných génových cieľov a mechanizmov ochorenia.

Následné modely chorôb sú navrhnuté v skorej predklinickej fáze, aby sa preskúmala patofyziológia bunkových chorôb a overili sa ciele liečiv, ako aj včasný skríning a optimalizácia skorých CGT-IP/DMT. Progresívny vývoj DMT, vrátane ďalšieho vývoja modelu a cieľovej validácie, ako aj skúmania mimocieľových účinkov, prebieha počas strednej predklinickej fázy.

Ako DMT postupuje, ďalšie informácie týkajúce sa farmakokinetickej a farmakodynamickej aktivity sa získavajú v neskorej predklinickej fáze. Zvýšené používanie modelov odvodených od hiPSC v týchto fázach predstavuje atraktívne zlepšenie existujúceho kanála vývoja liekov z niekoľkých dôvodov; menovite sú nákladovo efektívne, všestranné a čo je najdôležitejšie, prekonávajú mnohé z vrodených obmedzení existujúcich zvieracích modelov NDD.

V tejto fáze môžu byť predložené aplikácie IND pre predpokladané DMT, ktoré v súčasnosti obsahujú 4 kritické ciele, ktoré musia byť splnené s každým vznikajúcim DMT, najmä CGT-IP: (1) výber cieľa, (2) vývoj a optimalizácia hlavnej zlúčeniny, (3) počiatočné a eskalačný režim dávkovania a (4) stanovenie uskutočniteľnosti a ROA.

Každý z nich môže byť presne a vhodne adresovaný nahradením modelov založených na hiPSC v predklinických štúdiách. DMT potom môžu získať súhlas FDA na začatie klinických skúšok.

Môže byť zahrnuté začlenenie modelov založených na hiPSC v ďalšej fáze 1a, čo uľahčuje zlepšený skríning kandidátov vo fáze náboru a identifikáciu potenciálnych nereagujúcich alebo slabých respondentov na základe predklinických genetických štúdií.

DMT s preukázateľnou bezpečnosťou vo fáze 1a potom postupujú cez fázy 1, 2 a 3 klinických skúšok, po ktorých tie s významným pozitívnym účinkom získajú regulačné schválenie novej aplikácie lieku (NDA) a uvoľnia sa na spotrebiteľské použitie s neustálym dohľadom nad liekmi, aby sa identifikovali akékoľvek predtým neidentifikované nepriaznivé výsledky v priebehu času.

Obmedzenia modelov in vitro odvodených od hiPSC Čas a reprodukovateľnosť

Kultivačné technológie hiPSC sa objavili v poslednom desaťročí a ich využitie na modelovanie chorôb a predklinické hodnotenie predpokladaných DMT je relatívne nové.

Ako pri každej novej technológii, pri pokuse o presné obnovenie biologických charakteristík NDD je potrebné zvážiť niekoľko obmedzení. Po prvé a predovšetkým, kultivácia hiPSC a generovanie presných a spoľahlivých modelov buniek môže byť drahé, náročné na prácu a časovo náročné. Overenie liniek hiPSC podľa vhodného štandardu pre lekársky výskum stojí v priemere 10 USD,000 až 25 USD,000.203

Predlžujú sa procesy preprogramovania, diferenciácie a dozrievania. Bunkové preprogramovanie štartovacieho tkaniva na hiPSC môže trvať najmenej 20 až 30 dní151 a následná bunková diferenciácia a dozrievanie sa líši v závislosti od požadovaného bunkového typu a použitej metódy; napríklad generovanie zrelých neurónov, astrocytov a mikrogliakánov si vyžaduje 6 až 15 týždňov,204 4 až 9 týždňov,205,206 alebo 5 až 9 týždňov,164,207.

Výsledkom je, že výskumníci často uprednostňujú použitie progenitorových buniek ako stabilných medziproduktov na experimentovanie, pretože sú vo všeobecnosti reprezentatívne pre cieľový bunkový typ a možno ich generovať v rýchlejšom časovom rámci.204 Časové obmedzenia a náklady potrebné na vytvorenie systému modelu hiPSC teda môžu znepokojujú mnohé výskumné skupiny.

Okrem toho sa pri modelovaní NDD berie do úvahy aj čas potrebný na vývoj kľúčových bunkových fenotypov spojených s ochorením v bunkách odvodených od hiPSC. Zatiaľ čo trvá desaťročia života pacienta, kým sa prejavia klinické a patologické symptómy, molekulárne fenotypy súvisiace s ochorením v modeloch odvodených od hiPSC boli zistené asi 2 mesiace po dozretí.208

Obmedzenia však vyplývajú z obmedzenej životnosti inkultúry modelov založených na hiPSC, ktorá nemusí byť dostatočná na vytvorenie úplného obrazu pripomínajúceho ochorenie na bunkovej a tkanivovej úrovni.

Stratégie zamerané na urýchlenie procesu diferenciácie a dozrievania, ako je začlenenie inhibítorov Notch a g-sekretázy na skrátenie doby dozrievania,209 a neurogenín{2}} (Ngn2) alebo nadmerná expresia NeuroD1158 boli čiastočne úspešné a priniesli ďalšie obavy z ektopickej expresie.

Ďalšie obmedzenia súvisia s reprodukovateľnosťou systémov v opakovaných experimentoch a inherentnou variabilitou modelu od modelu, vrátane neúspechov týkajúcich sa čistoty kultúr odvodených od hiPSC a prítomnosti nežiaducich heterogénnych bunkových populácií.210

Preto je dôležité vziať do úvahy heterogenitu v bunkových populáciách pri použití modelov chorôb odvodených od hiPSC, najmä pri skríningu DMT a hodnotení účinnosti. Okrem toho sa uvádza, že kultúry hiPSC vykazujú genómovú nestabilitu a sú náchylné na získanie genetických aberácií a mutácií počas bunkovej expanzie a preprogramovania.211

Pozornosť je potrebné venovať aj používaniu izogénnych línií generovaných rôznymi technikami úpravy genómu, pretože sa môžu vyskytnúť potenciálne účinky mimo cieľa (napr. neúmyselná klonálna variabilita medzi izogénnymi líniami a mimocieľová mutagenéza).212,213 Preto je dôležité pravidelne vyhodnocovať genómová stabilita hiPSC na zabezpečenie prísneho skríningu DMT.

Výzvy v rekapitulácii sporadickej patofyziológie NDD a bunkových fenotypov

Zložitosť NDD a nedostatok komplexnej charakterizácie a mechanického pochopenia ich bunkových fenotypov si vyžadujú schopnosť rekapitulovať ich bunkovými modelmi vrátane systémov založených na hiPSC.

Príčiny NDD sú komplexné a multifaktoriálne, vrátane polygénnych rizikových faktorov (tj multigény a varianty), epigenetických znakov, starnutia, pohlavia a environmentálnych faktorov, ako sú spúšťače oxidačného stresu, z ktorých niektoré je ťažké vyvolať, konkrétne v nekonečnom zozname rôznych kombinácie v laboratórnom systéme.

Okrem toho väčšina modelov AD-PD odvodených od hiPSC je odvodená od pacientov s familiárnymi mutáciami, ktoré predstavujú len veľmi malý podiel z celkových prípadov. hiPSCs a fibroblasty získané od sAD alebo sporadických pacientov s PD.

Na dosiahnutie tohto cieľa sa v posledných rokoch objavili iniciatívy bunkových úložísk pacientov; patria sem Applied StemCell (ASC), Kalifornský inštitút pre regeneratívnu medicínu (CiRA), Cedars Sinai Induced Pluripotent Stem Cell Core, Európska banka pre indukované pluripotentné kmeňové bunky (EBiSC), Kórejská národná banka kmeňových buniek (KSCB), National Institute of Aging (NIA) , Národný ústav neurologických porúch a mŕtvice (NINDS), Národný inštitút všeobecných lekárskych vied (NIGMS) a Výskumný ústav WiCell (WiCell) (tabuľka S2).

Očakávaný rast týchto zbierok uľahčí vytvorenie modelov odvodených od hiPSC, ktoré sú vhodnejšie na výskum bežnej sAD a sporadickej PD.

Napriek tomu modely hiPSC odvodené od sporadických pacientov s NDD produkujú vhodné bunkové fenotypy charakteristické pre AD181 a PD216 po manipuláciách s prostredím, ako je expozícia neurotoxínom a chemická indukcia oxidačného stresu.

Nedávna štúdia tiež odhalila zmeny v expresii mitochondriálnych proteínov a zvýšený oxidačný stres v hiPSC generovaných u pacientov s sAD, napriek výraznému nedostatku patológie Ab a tau, 217 čo naznačuje, že modely hiPSC môžu odhaliť cenný pohľad na nuansovanú patofyziológiu špecifickú pre sporadické podtypy NDD.

Okrem toho nedávna štúdia Meyera et al.218 využívala hiPSC odvodené od pacientov so sAD a zistila, že MAPT, kódujúci proteín tau, bol významne zvýšený v bunkách odvodených od sAD v porovnaní so zdravými kontrolami.

Napriek týmto výzvam sú súčasné modely odvodené od hiPSC vynikajúcimi náhradami, ktoré poskytujú príležitosť napodobňovať patofyziológiu ochorenia a stanoviť charakteristiky ochorenia zlatého štandardu s úplným genetickým základom u sporadických pacientov, čo možno využiť ako výsledné opatrenia na zlepšenie následných modelov ochorení.

For more information:1950477648nn@gmail.com