Veien til fremgang i prekliniske studier av aldersrelaterte nevrodegenerative sykdommer: et perspektiv på gnagere og HiPSC-avledede modeller del 5

Fordeler med hiPSC-avledede cellulære systemer og sykdomsmodeller

Forbedrede plattformer for sykdomsmodellering og legemiddeloppdagelse

Potensialet for at hiPSC-baserte in vitro-modeller er svært informative for NDD-er med en human genetisk komponentundersøkelse er høy.

Forholdet mellom menneskelig genetikk og hukommelse er et mye diskutert tema, spesielt i det moderne samfunnet, hvor vi fokuserer på personlig utvikling og læring. Selv om vår genetiske informasjon bestemmer våre grunnleggende egenskaper ved fødselen, er hukommelse forskjellig fra faste egenskaper som høyde og hudfarge. I stedet kan den dyrkes og forbedres, og den spiller en viktig rolle i dagliglivet.

For det første viser vitenskapelig forskning at hukommelsen ikke er direkte relatert til genetiske gener. Selv om noen mennesker er født smartere enn andre, kan hukommelsen i det lange løp gradvis forbedres gjennom læring og kultivering. I læringsprosessen vår fra barneskole til universitet, må vi hele tiden bruke og forbedre hukommelsen for å forbedre våre akademiske prestasjoner. For eksempel husker vi problemer og løsninger gjennom gjentatt gjennomgang og øvelse, noe som bidrar til å trene hukommelsesevnen vår.

For det andre hjelper en sunn livsstil også mye på hukommelsen vår. Fysisk helse har stor innvirkning og effekt på hukommelsen, som tilstrekkelig søvn, et sunt kosthold og moderat trening. Vi starter med vår egen kropp og holder oss friske gjennom trening og en sunn livsstil, som vil gjøre hukommelsen vår klarere og skarpere.

Endelig kan vi også utvide hukommelsesevnen vår ved å stadig utvide vår horisont og delta i ulike nye ting. For eksempel kan vi prøve å lære et nytt språk og delta i sosiale aktiviteter som å reise, og disse opplevelsene kan skape flere minner i tankene våre.

Kort sagt, forholdet mellom menneskelig genetikk og hukommelse er komplekst og mangfoldig, og selvfølgelig vil det være tilsvarende forskjeller basert på personlige genetiske forskjeller. Men vi bør ikke ignorere hva vi kan gjøre: å forbedre vår hukommelse og evne til selvledelse gjennom kontinuerlig læring, sunn livsstil og stadig utvide horisonten vår er den beste måten for oss å overvinne genetiske forskjeller. Det kan sees at vi trenger å forbedre hukommelsen vår, og Cistanche kan forbedre hukommelsen betydelig fordi Cistanche er en tradisjonell kinesisk medisin med mange unike effekter, hvorav en er å forbedre hukommelsen. Effekten av Cistanche kommer fra de ulike aktive ingrediensene, inkludert garvesyre, polysakkarider, flavonoidglykosider, etc. Disse ingrediensene kan fremme hjernens helse på mange måter.

Klikk på Know for å forbedre korttidshukommelsen

Evnen til å korrelere NDD-kandidatgener til cellulære fenotyper, slik som RNA- og proteinekspresjonsprofiler, morfologiske endringer og biokjemiske signaturer i hiPSC-avledede celler, letter studier som tar for seg hvordan de menneskelige genetiske komponentene i komplekse NDD-er, som AD og PD, uttrykkes på et mobilnivå.

Videre tillater hiPSC-er inkorporering av den genetiske kompleksiteten til underliggende pasientgenetiske bakgrunner i modellen, som ofte er negert (f.eks. kjemiske modeller) eller overforenklet (f.eks. monogenetiske varianter av dyremodeller).

Det er velkjent at utbruddet, progresjonen og alvorlighetsgraden av nevrodegenerasjon bestemmes av komplekse genetiske faktorer og samspillet mellom flere genetiske varianter med relativt små effekter.

Dette medfødte genetiske landskapet fanget i pasientavledede hiPSC-modeller lar oss undersøke genetiske determinanter og biologiske faktorer, parret med evnen til å generere modulære, high-fidelity in vitro NDD-modeller, for å bygge på vår nåværende forståelse av sykdomsbiologi.hiPSC-teknologi representerer for øyeblikket den eneste tilgjengelige menneskelige -baserte modeller der hele det genetiske landskapet til pasientene fanges opp.

Muligheten til å bruke genomredigeringsteknologier, som CRISPR-Cas9, ved bruk av hiPSCs muliggjorde også generering av isogene modeller for evaluering av presise genetiske varianter. I tillegg til skalerbarhet er hiPSC-er selvfornybare.

Dermed presenterer hiPSC-avledede modeller et lovende system i forkant for prekliniske studier. Dessuten gjør det menneskelige genetiske mangfoldet fanget i pasientavledet hiPSCcapacity dem egnet for evaluering av "personlig medisin"-tilnærminger.

Evnen til effektivt å screene individuelle reaksjoner på behandlinger og identifisere ikke-respondere eller dårlige respondere før administrering i en klinisk setting, understreker ytterligere egnetheten til hiPSC-avledede modeller for prekliniske vurderinger (figur 2).

Samlet sett er den potensielle informasjonen generert gjennom prekliniske studier i hiPSC-modeller robust, relevant for menneskelige emner og viktig å implementere i utformingen av kliniske studier (f.eks. stratifisering av studieobjektene) for å forbedre nøyaktigheten av resultatene.

Overvinne grensene for dyremodeller

hiPSCs tilbyr en måte å overvinne mange av problemene som er tilstede i nåværende dyrebaserte modeller, som tidligere diskutert. For det første gir iPS-avledede modeller en menneskebasert plattform for å evaluere potensielle terapeutiske midler i det faktiske genetiske landskapet til menneskesykdommen.

For det andre, ved å utlede celler fra pasienter, omgås mange tekniske problemer angående den beste måten å modellere menneskelige sykdomsmutasjoner på fordi modellen inneholder den unike genetiske bakgrunnen til pasienten. For det tredje er hiPSC-celler lett tilgjengelige for genetisk og farmakologisk manipulasjon, noe som muliggjør strukturelle og funksjonelle analyser med høy gjennomstrømning som vurderer sykdomsfenotype.

For dette formål utviklet vi nylig en hiPSC-avledet DA-nevronal modell hentet fra en PD-pasient med SNCA-triplikasjon for å vurdere en alt-i-ett LV GT rettet mot å redusere SNCA-nivåer. Vår LV-intervensjon reduserte SNCA-nivåer og reddet sykdomsrelaterte fenotyper gjennom generering av reaktive oksidative arter (ROS) og bevaring av cellulær levedyktighet.140

For det fjerde, sammenlignet med standardgnagermodellen, kan genereringen av in vitro hiPSC-baserte modeller oppnås på en betydelig kortere tidslinje, i størrelsesorden 30 dager i motsetning til dyremodeller som kan variere fra måneder til år.

For det femte, og i tråd med forrige punkt, er hiPSC-baserte modeller betydelig billigere og mer energikrevende enn gnagermodeller, spesielt når man vurderer pågående husholdsforpliktelser og infrastruktur, forskrifter, samt opplærings- og samsvarskrav. Stadig mer økonomisk preklinisk sykdomsmodellering øker tilgjengeligheten for forskningsgrupper til å vurdere antatt terapi forbedrer oversettbarheten og til slutt forbedrer DMT-utviklingseffektiviteten.202

Til sammen gir disse fordelenehiPSC-avledede modeller en klar fordel i studiet av nevrodegenerasjon, og slike modeller har potensial til å generere nye funn som var utilgjengelige i tidligere cellekultur- og dyresykdomsmodeller.

Studiene som er gjennomgått her demonstrerer nødvendigheten og verdien av inkorporeringen av 2D- og 3D-hiPSC-baserte modeller i NDD-mekanistiske studier som belyser faktorer involvert i sykdomsårsak og patogene veier, så vel som i translasjons- og legemiddeloppdagelsesstudier, som identifikasjon og validering av terapeutiske mål. .

Sammen representerer hiPSC-avledede NDD-modeller et sprang fremover i medisinsk forskning gjennom forbedret sykdomsmodellering som er betydelig gjennomførbar, med relativt kortere eksperimenter som er kostnadseffektive og kanskje viktigst av alt, nøyaktige og egnet for modellering av menneskelige sykdommer.

Figur 2. Skjematisk over forbedret DMT-medikamentutviklingspipeline for NDDer gjennom økt inkorporering og/eller substitusjon av hiPSC-avledede modeller Utviklingen av antatt DMT begynner med oppdagelsesfasen, som omfatter både identifisering av relevante genmål og sykdomsmekanismer.

Påfølgende sykdomsmodeller er utviklet i den tidlige prekliniske fasen for å utforske den cellulære sykdommens patofysiologi og validere medikamentmål, samt tidlig screening og optimalisering av tidlige CGT-IP-er/DMT-er. Progressiv utvikling av DMT-er, inkludert videre modellutvikling og målvalidering, samt undersøkelse av effekter utenfor målet, skjer i den midtprekliniske fasen.

Etter hvert som DMT skrider frem, innhentes ytterligere informasjon om farmakokinetisk og farmakodynamisk aktivitet i den senprekliniske fasen. Den økte bruken av hiPSC-avledede modeller i disse fasene representerer en attraktiv forbedring av den eksisterende pipeline for medikamentutvikling av flere årsaker; de er nemlig kostnadseffektive, allsidige, og viktigst av alt, overvinner mange av de medfødte begrensningene til eksisterende dyremodeller av NDD.

På dette stadiet kan IND-søknader sendes inn for antatte DMT-er, som for øyeblikket inneholder 4 kritiske mål som må oppfylles med alle nye DMT-er, spesielt CGT-IP-er: (1) målvalg, (2) lede sammensatt utvikling og optimalisering, (3) innledende og eskalerende doseringsregime, og (4) etablering av gjennomførbarhet og ROA.

Hver av disse kan adresseres nøyaktig og hensiktsmessig med substitusjon av hiPSC-baserte modeller i prekliniske studier. DMT-er kan da motta FDA-godkjenning for å starte kliniske studier.

Inkorporering av hiPSC-baserte modeller i en ekstra fase 1a kan inkluderes, noe som letter forbedret kandidatscreening i rekrutteringsfasen og identifisering av potensielle ikke-respondere eller dårlige respondere basert på prekliniske genetiske studier.

DMT-er med påviselig sikkerhet i fase 1a går deretter gjennom fase 1, 2 og 3 kliniske studier, hvoretter de med en betydelig positiv effekt mottar regulatorisk godkjenning for New Drug Application (NDA) og frigis for forbrukerbruk med kontinuerlig legemiddelovervåking for å identifisere tidligere uidentifiserte. ugunstige utfall over tid.

Begrensninger for hiPSC-avledede in vitro-modeller Tid og reproduserbarhet

Dyrkingsteknologiene til hiPSC-er dukket opp i løpet av det siste tiåret, og deres nytte for sykdomsmodellering og preklinisk vurdering av antatte DMT-er er relativt ny.

Som med enhver ny teknologi, må flere begrensninger vurderes når man forsøker å gjenskape de biologiske egenskapene til NDDs nøyaktig. Først og fremst kan dyrking av hiPSC-er og generering av nøyaktige og pålitelige cellemodeller være dyrt, arbeidskrevende og tidkrevende. I gjennomsnitt koster det $10,000 til USD 25,000 å validere hiPSC-linjer til en passende standard for medisinsk forskning.203

Prosessene med omprogrammering, differensiering og modning er forlenget. Cellulær omprogrammering av startvev til hiPSC-er kan ta minst 20 til 30 dager,151 og påfølgende cellulær differensiering og modning varierer avhengig av ønsket celletype og metode som brukes; For eksempel krever generering av modne nevroner, astrocytter og mikrogliakan alt fra 6 til 15 uker,204 4 til 9 uker, henholdsvis 205,206 eller 5 til 9 uker, 164,207.

Som et resultat foretrekker forskere ofte bruken av stamceller som stabile mellomprodukter for eksperimentering, ettersom de stort sett er representative for målcelletypen og kan genereres i en raskere tidsramme.204 Dermed kan tidsbegrensningene og kostnadene som kreves for å etablere hiPSC-modellsystemet utgjøre en bekymring for mange forskningsgrupper.

I tillegg er tiden som kreves for utvikling av sentrale sykdomsassosierte cellulære fenotyper i hiPSC-avledede celler også en vurdering ved modellering av NDD. Mens det tar flere tiår av en pasients liv å presentere kliniske og patologiske symptomer, ble sykdomsrelaterte molekylære fenotyper i hiPSC-avledede modeller oppdaget omtrent 2 måneder etter modning.208

Ikke desto mindre stammer begrensningene fra den begrensede levetiden til hiPSC-baserte modellkultur som kanskje ikke er tilstrekkelig for å utvikle et fullstendig bilde som ligner sykdommen på celle- og vevsnivå.

Strategier som tar sikte på å fremskynde differensierings- og modningsprosessen, som inkorporering av Notch og g-sekretasehemmere for å forkorte modningstiden,209 og neurogenin-2 (Ngn2) eller NeuroD1-overuttrykk158 har vært delvis vellykkede og introduserte andre bekymringer fra ektopisk uttrykk.

Andre begrensninger er relatert til reproduserbarheten til systemene i repeterende eksperimenter og den iboende modell-til-modell-variasjonen, inkludert tilbakeslag angående renheten til de hiPSC-avledede kulturene og tilstedeværelsen av uønskede heterogene cellulære populasjoner.210

Derfor er det viktig å ta hensyn til heterogenitet i cellepopulasjoner når du bruker hiPSC-avledede modeller for sykdom, spesielt inDMT-screening og effektvurdering. Videre har hiPSC-kulturer blitt rapportert å vise genomisk ustabilitet og er tilbøyelige til å tilegne seg genetiske avvik og mutasjoner under cellulær ekspansjon og omprogrammering.211

Det må også utvises forsiktighet ved bruken av isogene linjer generert av ulike genomredigeringsteknikker, ettersom potensielle effekter utenfor målet kan oppstå (f.eks. utilsiktet klonal variasjon på tvers av isogene linjer og mutagenese utenfor målet).212,213 Derfor er det viktig å evaluere med jevne mellomrom den genomiske stabiliteten til hiPSCs for å sikre streng DMT-screening.

Utfordringer i å rekapitulere sporadisk NDD-patofysiologi og cellulære fenotyper

Kompleksiteten til NDDer og mangelen på omfattende karakterisering og mekanistisk forståelse av deres cellulære fenotyper utgjør en utfordring i evnen til å rekapitulere dem med cellulære modeller, inkludert hiPSC-baserte systemer.

Årsakene til NDD er komplekse og multifaktorielle, inkludert polygene risikofaktorer (dvs. multiplegener og varianter), epigenetikkmerker, aldring, kjønn og miljøfaktorer, som oksidativt stressutløsere, hvorav noen er vanskelige å indusere, spesielt i en endeløs liste med forskjellige kombinasjoner, i et laboratoriesystem.

Videre er flertallet av hiPSC-avledede AD-PD-modeller avledet fra pasienter med familiære mutasjoner som bare representerer en svært liten andel av de totale tilfellene. hiPSCs og fibroblaster hentet fra sAD eller sporadiske PD-pasienter.

Mot dette målet har initiativer fra pasientenes cellelagre dukket opp de siste årene; disse inkluderer Applied StemCell (ASC), California Institute for Regenerative Medicine (CiRA), Cedars Sinai Induced Pluripotent Stem Cell Core, European Bank for Induced Pluripotent StemCells (EBiSC), Korean National Stem Cell Bank (KSCB), NationalInstitute of Aging (NIA) , National Institue of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) og WiCell Research Institute (WiCell) (tabell S2).

Den forventede veksten av disse samlingene vil lette etableringen av hiPSC-avledede modeller som er mer egnet for forskning av den vanlige sAD og sporadiske PD.

Ikke desto mindre produserer hiPSC-modeller avledet fra sporadiske NDD-pasienter passende cellulære fenotyper som er karakteristiske for AD181 og PD216 ved miljømanipulasjoner, som eksponering for nevrotoksiner og kjemisk induksjon av oksidativt stress.

En nylig studie avslørte også endringer i mitokondrielt proteinuttrykk og forhøyet oksidativt stress i hiPSCs generert fra sAD-pasienter, til tross for en markert mangel på Ab- og tau-patologi,217 som tyder på at hiPSC-modeller kan avsløre verdifull innsikt i den nyanserte patofysiologien som er spesifikk for sporadiske NDD-subtyper.

Videre brukte en nylig studie av Meyer et al.218 hiPSC-er avledet fra sAD-pasienter og fant at MAPT, som koder for tau-proteinet, ble betydelig økt i sAD-avledede celler sammenlignet med friske kontroller.

Til tross for disse utfordringene, er nåværende hiPSC-avledede modeller utmerkede surrogater som gir muligheten til å etterligne sykdomspatofysiologi og etablere gullstandard sykdomskarakteristikker med den fullgenetiske underbygningen hos sporadiske pasienter, som kan utnyttes som utfallsmål for å forbedre påfølgende sykdomsmodeller.

For more information:1950477648nn@gmail.com