Az életkorral összefüggő neurodegeneratív betegségek preklinikai tanulmányainak előrehaladásának útja: A rágcsálók és a HiPSC-eredetű modellek perspektívája 5. rész

A hiPSC-eredetű sejtrendszerek és betegségmodellek előnyei

Továbbfejlesztett betegségek modellezési és gyógyszerfelderítő platformok

Nagy a lehetőség arra, hogy a hiPSC-alapú in vitro modellek rendkívül informatívak legyenek a humán genetikai komponenst vizsgáló NDD-k számára.

Az emberi genetika és a memória kapcsolata sokat vitatott kérdés, különösen a modern társadalomban, ahol a személyes fejlődésre és tanulásra összpontosítunk. Bár genetikai információink meghatározzák alapvető tulajdonságainkat születésünkkor, a memória különbözik az olyan rögzített jellemzőktől, mint a magasságunk és a bőrszínünk. Ehelyett termeszthető és javítható, és fontos szerepet játszik a mindennapi életben.

Először is a tudományos kutatások azt mutatják, hogy a memória nincs közvetlenül kapcsolatban a genetikai génekkel. Bár egyesek okosabbnak születnek, mint mások, hosszú távon a memória fokozatosan javulhat tanulással és műveléssel. Az általános iskolától az egyetemig tartó tanulási folyamatunk során folyamatosan használnunk és fejlesztenünk kell memóriánkat tanulmányi teljesítményünk javítása érdekében. Például ismételt áttekintéssel és gyakorlással emlékezünk a problémákra és megoldásokra, ami segít emlékezetünk gyakorlásában.

Másodszor, az egészséges életmód a memóriánkat is nagyban segíti. A fizikai egészség nagy hatással van a memóriára, mint például a megfelelő alvás, az egészséges táplálkozás és a mérsékelt testmozgás. A saját testünkből indulunk ki, és egészségesek maradunk mozgással és egészséges életmóddal, ami tisztábbá és élesebbé teszi a memóriánkat.

Végül pedig memóriaképességünket is bővíthetjük, ha folyamatosan tágítjuk látókörünket, és különféle újdonságokban veszünk részt. Megpróbálhatunk például egy új nyelvet tanulni, és részt vehetünk olyan társadalmi tevékenységekben, mint az utazás, és ezek az élmények több emléket idézhetnek elő elménkben.

Röviden, az emberi genetika és a memória közötti kapcsolat összetett és sokrétű, és természetesen lesznek megfelelő különbségek a személyes genetikai különbségek alapján. De nem szabad figyelmen kívül hagynunk, hogy mit tehetünk: a genetikai különbségek leküzdésének legjobb módja, ha emlékezetünket és önkezelési képességünket folyamatos tanulással, egészséges életmóddal, látókörünk folyamatos bővítésével fejlesztjük. Látható, hogy javítanunk kell a memóriánkat, a Cistanche pedig jelentősen javíthatja a memóriát, mert a Cistanche egy hagyományos kínai orvoslás, számos egyedi hatással, amelyek közül az egyik a memória javítása. A Cistanche hatékonyságát különféle hatóanyagai jelentik, beleértve a csersavat, poliszacharidokat, flavonoid glikozidokat stb. Ezek az összetevők számos módon elősegíthetik az agy egészségét.

Kattintson a Tudás gombra a rövid távú memória javításához

Az a képesség, hogy az NDD-jelölt géneket sejtfenotípusokkal, például RNS- és fehérjeexpressziós profilokkal, morfológiai változásokkal és biokémiai aláírásokkal korrelálják a hiPSC-eredetű sejtekben, megkönnyíti a komplex NDD-k humán genetikai összetevőinek, például AD és PD, emberi genetikai összetevőinek expresszióját a hiPSC-eredetű sejtekben. egy sejtszint.

Ezenkívül a hiPSC-k lehetővé teszik a betegek mögöttes genetikai hátterének genetikai komplexitásának beépítését a modellbe, amit gyakran tagadnak (pl. kémiai modellek) vagy túlságosan leegyszerűsítenek (pl. monogenetikus variáns állatmodellek).

Közismert, hogy a neurodegeneráció kezdetét, progresszióját és súlyosságát összetett genetikai tényezők és több, viszonylag csekély hatású genetikai változat kölcsönhatása határozza meg.

Ez a veleszületett genetikai táj, amelyet a betegektől származó hiPSC-modellek rögzítenek, lehetővé teszi számunkra, hogy megvizsgáljuk a genetikai determinánsokat és biológiai tényezőket, párosítva a moduláris, nagy pontosságú in vitro NDD-modellek létrehozásának képességével, hogy a betegségbiológia jelenlegi ismereteinkre építhessünk. A hiPSC technológia jelenleg az egyetlen rendelkezésre álló humán ember. - alapú modellek, amelyekben a betegek teljes genetikai tájképét rögzítik.

Ezenkívül a genomszerkesztő technológiák, például a CRISPR-Cas9 alkalmazásának lehetősége hiPSC-k segítségével lehetővé tette izogén modellek létrehozását a precíz genetikai változatok értékeléséhez. A méretezhetőség mellett a hiPSC-k önmegújulóak.

Így a hiPSC-eredetű modellek ígéretes rendszert jelentenek a preklinikai vizsgálatok számára. Sőt, a betegektől származó hiPSC-kapacitásban megragadt emberi genetikai sokféleség alkalmassá teszi őket a „személyre szabott orvoslás” megközelítések értékelésére.

A kezelésekre adott egyéni reakciók hatékony szűrésének és a nem reagálók vagy a rosszul reagálók azonosításának képessége a beadás előtt klinikai környezetben tovább hangsúlyozza a hiPSC-eredetű modellek alkalmasságát a preklinikai értékelésekhez (2. ábra).

Összességében a hiPSC-modellek preklinikai vizsgálatai során generált potenciális információ robusztus, releváns az emberi alanyok számára, és elengedhetetlen a klinikai vizsgálatok tervezésében (pl. a vizsgálati alanyok rétegződése) az eredmények pontosságának javítása érdekében.

Az állatmodellek korlátainak leküzdése

A hiPSC-k módot kínálnak a jelenlegi állat-alapú modellekben jelenlévő számos probléma leküzdésére, amint azt korábban tárgyaltuk. Először is, az iPS-eredetű modellek humán alapú platformot biztosítanak a lehetséges terápiák értékeléséhez az emberi betegség tényleges genetikai környezetében.

Másodszor, a betegektől származó sejtek származtatásával számos technikai kérdés megkerülhető az emberi betegségek mutációinak legjobb modellezési módjával kapcsolatban, mivel a modell tartalmazza a páciens egyedi genetikai hátterét. Harmadszor, a hiPSC sejtek könnyen hozzáférhetők genetikai és farmakológiai manipulációhoz, lehetővé téve a nagy áteresztőképességű szerkezeti és funkcionális vizsgálatokat, amelyek értékelik a betegség fenotípusát.

Ebből a célból a közelmúltban kifejlesztettünk egy hiPSC-eredetű DA neuronális modellt, amelyet SNCA-triplikációval rendelkező PD-betegből nyertünk, hogy értékeljük az SNCA-szintek csökkentését célzó all-in-one LV GT-t. LV-beavatkozásunk sikeresen csökkentette az SNCA-szintet, és megmentette a betegséggel összefüggő fenotípusokat a reaktív oxidatív fajok (ROS) létrehozása és a sejtek életképességének megőrzése révén.140

Negyedszer, a szabványos rágcsálómodellhez képest az in vitro hiPSC-alapú modellek generálása lényegesen rövidebb időtávon, 30 napos nagyságrendben valósítható meg, szemben az állatmodellekkel, amelyek hossza hónapoktól évekig terjedhet.

Ötödször, és az előző ponttal összhangban, a hiPSC-alapú modellek lényegesen olcsóbbak és energiaigényesebbek, mint a rágcsálómodellek, különösen, ha figyelembe vesszük a folyamatos állattartási kötelezettségeket és infrastruktúrát, szabályozást, valamint a képzési és megfelelési követelményeket. Az egyre gazdaságosabb preklinikai betegségmodellezés növeli a kutatócsoportok hozzáférését a feltételezett terápiák értékeléséhez, javítja az átültethetőséget és végső soron javítja a DMT fejlesztési hatékonyságát.202

Összességében ezek az előnyök a hiPSC-eredetű modelleknek egyértelmű előnyt jelentenek a neurodegeneráció tanulmányozásában, és az ilyen modellek olyan új felfedezéseket hozhatnak létre, amelyek a korábbi sejttenyésztési és állatbetegség-modellekben nem voltak elérhetők.

Az itt áttekintett tanulmányok bizonyítják a 2D és 3D hiPSC-alapú modellek beépítésének szükségességét és értékét az NDD mechanikai vizsgálatokba, amelyek feltárják a betegségek okozati és patogén útvonalaiban szerepet játszó tényezőket, valamint transzlációs és gyógyszerfelfedezési vizsgálatokban, mint például a terápiás célpontok azonosítása és validálása. .

A hiPSC-eredetű NDD-modellek együttesen előrelépést jelentenek az orvosi kutatásban azáltal, hogy javított betegségmodellezést végeznek, amely jelentősen megvalósítható, viszonylag rövidebb, költséghatékony és talán a legfontosabb, pontos és emberi betegségek modellezésére alkalmas kísérletekkel.

2. ábra: A hiPSC-eredetű modellek fokozott beépítése és/vagy helyettesítése révén javított DMT-gyógyszer-fejlesztési folyamat vázlata NDD-k számára. Bármilyen feltételezett DMT kifejlesztése a felfedezési fázissal kezdődik, amely magában foglalja a releváns géncélpontok azonosítását és a betegség mechanizmusait.

A későbbi betegségmodelleket a korai preklinikai fázisban dolgozzák ki a sejtbetegség patofiziológiájának feltárására és a gyógyszercélpontok validálására, valamint a korai CGT-IP-k/DMT-k korai szűrésére és optimalizálására. A DMT-k progresszív fejlesztése, beleértve a további modellfejlesztést és a célérvényesítést, valamint a célon kívüli hatások vizsgálatát, a preklinikai fázis közepén történik.

A DMT előrehaladtával a farmakokinetikai és farmakodinámiás aktivitással kapcsolatban további információk nyerhetők a késői preklinikai fázisban. A hiPSC-eredetű modellek megnövekedett használata ezekben a fázisokban több okból is vonzó előrelépést jelent a meglévő gyógyszerfejlesztési folyamathoz képest; nevezetesen költséghatékonyak, sokoldalúak, és ami a legfontosabb, leküzdik az NDD-k meglévő állatmodelljeinek számos veleszületett korlátját.

Ebben a szakaszban INDalkalmazásokat lehet benyújtani feltételezett DMT-kre, amelyek jelenleg 4 olyan kritikus célt tartalmaznak, amelyeket minden kialakulóban lévő DMT-vel, különösen a CGT-IP-kkel teljesíteni kell: (1) célkiválasztás, (2) vezető vegyület fejlesztése és optimalizálása, (3) kezdeti és fokozódó adagolási rend, és (4) a megvalósíthatóság és a ROA megállapítása.

Ezek mindegyike pontosan és megfelelően kezelhető a hiPSC-alapú modellek helyettesítésével a preklinikai vizsgálatokban. A DMT-k ezután megkaphatják az FDA jóváhagyását a klinikai vizsgálatok megkezdéséhez.

A hiPSC-alapú modellek beépítése egy további 1a fázisba is beépíthető, ami elősegíti a jelöltek jobb szűrését a toborzási szakaszban, valamint a potenciálisan nem reagálók vagy rosszul reagálók azonosítását preklinikai genetikai vizsgálatok alapján.

Az 1a fázisban kimutatható biztonsággal rendelkező DMT-k az 1., 2. és 3. fázisú klinikai vizsgálatokon haladnak keresztül, majd a jelentős pozitív hatással rendelkezők megkapják a New Drug Application (NDA) hatósági jóváhagyását, és folyamatos farmakovigilancia mellett fogyasztói használatra bocsátják őket, hogy azonosítsák a korábban nem azonosítottakat. káros következmények idővel.

A hiPSC-ből származó in vitro modellek korlátai, idő és reprodukálhatóság

A hiPSC-k tenyésztési technológiái az elmúlt évtizedben jelentek meg, és a betegségek modellezésében és a feltételezett DMT-k preklinikai értékelésében való felhasználásuk viszonylag új.

Mint minden feltörekvő technológia esetében, számos korlátot figyelembe kell venni, amikor megpróbáljuk pontosan visszaállítani az NDD-k biológiai jellemzőit. Mindenekelőtt a hiPSC-k termesztése és a pontos és megbízható sejtmodellek előállítása költséges, munkaigényes és időigényes lehet. Átlagosan 10,000–25 USD,000 dollárba kerül a hiPSC-vonalak validálása az orvosi kutatáshoz megfelelő szabvány szerint.203

Az újraprogramozás, a differenciálódás és az érés folyamatai elhúzódnak. A kiindulási szövet sejtes átprogramozása hiPSC-kké legalább 20-30 napig tarthat,151 és az ezt követő sejtdifferenciálódás és érés a kívánt sejttípustól és az alkalmazott módszertől függően változik; például az érett neuronok, asztrociták és mikrogliakánok generálásához 6-15 hét, 204 4-9 hét, 205 206 vagy 5-9 hét 164 207 szükséges.

Ennek eredményeként a kutatók gyakran előnyben részesítik a progenitor sejtek használatát stabil intermedierként a kísérletezéshez, mivel ezek nagyjából reprezentálják a célsejttípust, és gyorsabban előállíthatók.204 Így a hiPSCmodel rendszer létrehozásához szükséges időbeli korlátok és költségek előfordulhatnak. sok kutatócsoportot foglalkoztat.

Ezen túlmenően, az NDD-k modellezésénél figyelembe kell venni a hiPSC-eredetű sejtekben a kulcsfontosságú betegséggel összefüggő sejtfenotípusok kialakulásához szükséges időt is. Míg a klinikai és kóros tünetek megjelenése a páciens életének évtizedeibe telik, a hiPSC-eredetű modellekben a betegséggel összefüggő molekuláris fenotípusokat az érés után körülbelül 2 hónappal észlelték.208

Mindazonáltal a korlátok a hiPSC-alapú modellkultúrák korlátozott élettartamából fakadnak, ami nem biztos, hogy elegendő egy olyan teljes kép kialakításához, amely sejt- és szöveti szinten hasonlít a betegségre.

A differenciálódási és érési folyamat felgyorsítását célzó stratégiák, mint például a Notch és a g-szekretáz inhibitorok beépítése az érési idő lerövidítésére,209 és a neurogenin-2 (Ngn2) vagy a NeuroD1 túlexpressziója158 részben sikeresek voltak, és más, a méhen kívüli expresszióval kapcsolatos aggályokat is felvetettek.

További korlátok a rendszerek ismétlődő kísérletekben való reprodukálhatóságához és a modellek közötti inherens variabilitáshoz kapcsolódnak, beleértve a hiPSC-eredetű tenyészetek tisztaságát és a nemkívánatos heterogén sejtpopulációk jelenlétét érintő visszaeséseket is.

Ezért fontos figyelembe venni a sejtpopulációk heterogenitását, amikor hiPSC-eredetű betegségmodelleket használunk, különösen a DMT-szűrés és a hatékonyság értékelése során. Ezenkívül a hiPSC tenyészetekről számoltak be, hogy genomiális instabilitást mutatnak, és hajlamosak genetikai aberrációkra és mutációkra a sejtek terjeszkedése és újraprogramozása során.211

Óvatosnak kell lenni a különféle genomszerkesztési technikákkal létrehozott izogén vonalak használatával is, mivel potenciális célon kívüli hatások léphetnek fel (pl. nem szándékos klonális variabilitás az izogén vonalakon és a célon kívüli mutagenezis).212,213 Ezért fontos időszakonként értékelni. a hiPSC-k genomi stabilitása biztosítja a szigorú DMT-szűrést.

Kihívások a szórványos NDD patofiziológia és a sejtfenotípusok összefoglalásában

Az NDD-k összetettsége, valamint a sejtfenotípusaik átfogó jellemzésének és mechanikai megértésének hiánya kihívást jelent a sejtmodellekkel, köztük a hiPSC-alapú rendszerekkel való összefoglalásukban.

Az NDD-k okai összetettek és többtényezősek, beleértve a poligén kockázati tényezőket (pl. multiplegének és variánsok), az epigenetikai jegyeket, az öregedést, a nemet és a környezeti tényezőket, például az oxidatív stresszt kiváltó tényezőket, amelyek közül néhányat nehéz előidézni, különösen a különféle változatok végtelen listájában. kombinációk, laboratóriumi rendszerben.

Ezenkívül a hiPSC-eredetű AD-PD-modellek többsége olyan betegektől származik, akiknek családi mutációi vannak, amelyek az összes esetnek csak nagyon kis hányadát képviselik. 214 215 Mivel a családi versus sporadikus formák mögött meghúzódó mechanizmusok eltérőek lehetnek, szükség van a kórokozóból származó modellek létrehozására. hiPSC és fibroblasztok sAD vagy sporadikus PD betegekből nyert.

E cél érdekében az elmúlt években megjelentek a betegek sejttárolóinak kezdeményezései; ezek közé tartozik az Applied StemCell (ASC), a California Institute for Regenerative Medicine (CiRA), a Cedars Sinai Induced Pluripotent Stem Cell Core, az Európai Indukált Pluripotens Őssejt Bank (EBiSC), a Koreai Nemzeti Őssejtbank (KSCB), a National Institute of Aging (NIA) , National Institute of Neurological Disordersand Stroke (NINDS), National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) és a WiCell Research Institute (WiCell) (S2 táblázat).

A gyűjtemények várható növekedése megkönnyíti a hiPSC-eredetű modellek létrehozását, amelyek alkalmasabbak a közös sAD és a szórványos PD kutatására.

Mindazonáltal a szórványos NDD-betegekből származó hiPSC-modellek megfelelő, az AD181-re és a PD216-ra jellemző sejtfenotípusokat produkálnak környezeti manipulációk hatására, mint például a neurotoxinoknak való kitettség és az oxidatív stressz kémiai indukciója.

Ezenkívül egy nemrégiben készült tanulmány a mitokondriális fehérje expressziójának megváltozását és megnövekedett oxidatív stresszt tárt fel az sAD-betegekből származó hiPSC-kben, annak ellenére, hogy az Ab- és tau-patológia jelentősen hiányzik,217 ami arra utal, hogy a hiPSC-modellek értékes betekintést nyújthatnak a szórványos NDD-altípusokra jellemző árnyalt patofiziológiába.

Ezen túlmenően, Meyer és munkatársai 218 nemrégiben végzett tanulmánya sAD-betegekből származó hiPSC-ket használt, és azt találta, hogy a tau fehérjét kódoló MAPT szignifikánsan megnövekedett az sAD-eredetű sejtekben az egészséges kontrollokhoz képest.

Így e kihívások ellenére a jelenlegi hiPSC-eredetű modellek kiváló helyettesítők, amelyek lehetőséget biztosítanak a betegség patofiziológiájának utánzására és a sporadikus betegekben a teljes genetikai alapokon álló, aranystandard betegségjellemzők megállapítására, amelyek hasznosíthatók a későbbi betegségmodellek javítására.

For more information:1950477648nn@gmail.com