Put do napretka pretkliničkih studija neurodegenerativnih bolesti povezanih sa starenjem: perspektiva modela glodavaca i HiPSC-a, 5. dio

Prednosti staničnih sustava izvedenih iz hiPSC-a i modela bolesti

Poboljšano modeliranje bolesti i platforme za otkrivanje lijekova

Visok je potencijal za in vitro modele temeljene na hiPSC-u da budu vrlo informativni za NDD-ove s ispitivanjem ljudske genetske komponente.

Odnos između ljudske genetike i pamćenja tema je o kojoj se mnogo raspravlja, posebno u modernom društvu, gdje smo usredotočeni na osobni razvoj i učenje. Iako naše genetske informacije određuju naše osnovne karakteristike pri rođenju, pamćenje se razlikuje od fiksnih karakteristika kao što su visina i boja kože. Umjesto toga, može se uzgajati i poboljšavati, a igra važnu ulogu u svakodnevnom životu.

Prije svega, znanstvena istraživanja pokazuju da pamćenje nije izravno povezano s genetskim genima. Iako su neki ljudi rođeni pametniji od drugih, dugoročno se pamćenje može postupno poboljšati učenjem i kultivacijom. U našem procesu učenja od osnovne škole do sveučilišta, moramo stalno koristiti i poboljšavati svoje pamćenje kako bismo poboljšali svoj akademski uspjeh. Na primjer, pamtimo probleme i rješenja kroz ponovljeno ponavljanje i vježbanje, što pomaže u vježbanju naše sposobnosti pamćenja.

Drugo, zdrav način života također puno pomaže našem pamćenju. Tjelesno zdravlje ima veliki utjecaj i učinak na pamćenje, kao što je primjeren san, zdrava prehrana i umjerena tjelovježba. Počinjemo s vlastitim tijelom i ostajemo zdravi tjelovježbom i zdravim načinom života koji će naše pamćenje učiniti jasnijim i oštrijim.

Konačno, također možemo proširiti svoju sposobnost pamćenja stalnim širenjem horizonta i sudjelovanjem u raznim novim stvarima. Na primjer, možemo pokušati naučiti novi jezik i sudjelovati u društvenim aktivnostima poput putovanja, a ta iskustva mogu stvoriti više uspomena u našem umu.

Ukratko, odnos između ljudske genetike i pamćenja je složen i raznolik, i naravno, postojat će odgovarajuće razlike temeljene na osobnim genetskim razlikama. Ali ne bismo trebali zanemariti ono što možemo učiniti: poboljšavanje pamćenja i sposobnosti samoupravljanja kontinuiranim učenjem, zdravim životom i stalnim širenjem horizonata najbolji je način da prevladamo genetske razlike. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer je Cistanche tradicionalni kineski lijek s brojnim jedinstvenim učincima, a jedan od njih je i poboljšanje pamćenja. Djelotvornost Cistanche dolazi od njegovih različitih aktivnih sastojaka, uključujući taninsku kiselinu, polisaharide, flavonoidne glikozide, itd. Ovi sastojci mogu promicati zdravlje mozga na mnogo načina.

Pritisnite Know za poboljšanje kratkoročnog pamćenja

Sposobnost povezivanja gena kandidata za NDD sa staničnim fenotipovima, kao što su profili ekspresije RNA i proteina, morfološke promjene i biokemijski potpisi u stanicama izvedenim iz hiPSC-a, olakšava studije koje se bave time kako se ljudske genetske komponente složenih NDD-ova, kao što su AD i PD, izražavaju na staničnoj razini.

Štoviše, hiPSC-i dopuštaju ugradnju genetske složenosti temeljne genetske pozadine pacijenta u model, što se često negira (npr. kemijski modeli) ili previše pojednostavljuje (npr. monogenetski varijanti životinjskih modela).

Dobro je poznato da su početak, napredovanje i ozbiljnost neurodegeneracije određeni složenim genetskim čimbenicima i međuigrom nekoliko genetskih varijanti s relativno malim učincima.

Ovaj urođeni genetski krajolik snimljen u hiPSC modelima izvedenim od pacijenata omogućuje nam da istražimo genetske determinante i biološke čimbenike, uparene sa sposobnošću generiranja modularnih, visokovjernih in vitro NDD modela, kako bismo nadogradili naše trenutno razumijevanje biologije bolesti. hiPSC tehnologija trenutno predstavlja jedino dostupno ljudsko -temeljeni modeli u kojima je zahvaćen cijeli genetski krajolik pacijenata.

Također, mogućnost primjene tehnologija za uređivanje genoma, poput CRISPR-Cas9, pomoću hiPSC-a omogućila je stvaranje izogenih modela za procjenu preciznih genetskih varijanti. Osim skalabilnosti, hiPSC su samoobnovljivi.

Stoga modeli izvedeni iz hiPSC-a predstavljaju prvi obećavajući sustav za pretkliničke studije. Štoviše, ljudska genetska raznolikost sadržana u hiPSC kapacitetu koji je izveden od pacijenata čini ih prikladnima za procjenu pristupa "personalizirane medicine".

Sposobnost učinkovitog pregleda individualnih reakcija na tretmane i identificiranja onih koji ne odgovaraju ili slabo reagiraju prije primjene u kliničkom okruženju dodatno naglašava prikladnost modela izvedenih iz hiPSC za pretkliničke procjene (Slika 2).

Zajedno, potencijalne informacije generirane pretkliničkim studijama u hiPSC modelima su robusne, relevantne za ljudske subjekte i bitne za implementaciju u dizajn kliničkih ispitivanja (npr. stratifikacija subjekata studije) kako bi se poboljšala točnost rezultata.

Prevladavanje ograničenja životinjskih modela

hiPSC-ovi nude način za prevladavanje mnogih problema prisutnih u trenutnim modelima temeljenim na životinjama, kao što je prethodno objašnjeno. Prvo, modeli izvedeni iz iPS-a pružaju platformu temeljenu na ljudima za procjenu potencijalne terapije u stvarnom genetskom krajoliku ljudske bolesti.

Drugo, izvođenjem stanica od pacijenata zaobilaze se mnoga tehnička pitanja u vezi s najboljim načinom modeliranja mutacija ljudskih bolesti jer model sadrži jedinstvenu genetsku pozadinu pacijenta. Treće, stanice hiPSC lako su dostupne genetskoj i farmakološkoj manipulaciji, što omogućuje strukturne i funkcionalne testove visoke propusnosti koji procjenjuju fenotip bolesti.

U tu smo svrhu nedavno razvili DA neuronski model izveden iz hiPSC-a dobiven od PD pacijenta s triplikacijom SNCA za procjenu sveobuhvatnog LV GT usmjerenog na smanjenje razina SNCA. Naša LV intervencija uspješno je smanjila razine SNCA i spasila fenotipove povezane s bolešću kroz stvaranje reaktivnih oksidativnih vrsta (ROS) i očuvanje stanične održivosti.140

Četvrto, u usporedbi sa standardnim modelom glodavaca, generacija in vitro modela temeljenih na hiPSC-u može se postići u znatno kraćem vremenskom roku, u redu od 30 dana, za razliku od životinjskih modela koji mogu varirati od mjeseci do godina.

Peto, i u skladu s prethodnom točkom, modeli koji se temelje na hiPSC-u znatno su jeftiniji i troše mnogo energije od modela glodavaca, posebno kada se uzmu u obzir tekuće obveze držanja životinja i infrastruktura, propisi, kao i zahtjevi za obuku i sukladnost. Sve ekonomičnije pretkliničko modeliranje bolesti povećava dostupnost istraživačkim skupinama za procjenu navodne terapije, poboljšava prevodivost i u konačnici poboljšava učinkovitost razvoja DMT-a.202

Sve u svemu, ove prednosti daju modelima izvedenim iz hiPSC-a izrazitu prednost u proučavanju neurodegeneracije, a takvi modeli imaju potencijal za generiranje novih otkrića koja su bila nedostupna u prijašnjim modelima kultura stanica i životinjskih bolesti.

Ovdje pregledane studije pokazuju nužnost i vrijednost uključivanja 2D i 3D modela temeljenih na hiPSC u NDD mehaničkim studijama koje razjašnjavaju čimbenike uključene u uzročnost bolesti i patogene putove, kao i u translacijske studije i studije otkrivanja lijekova, kao što su identifikacija i validacija terapeutskih ciljeva .

Zajedno, NDD modeli izvedeni iz hiPSC-a predstavljaju korak naprijed u medicinskom istraživanju kroz poboljšano modeliranje bolesti koje je znatno izvedivo, s relativno kraćim eksperimentima koji su isplativi i možda najvažnije, točni i prikladni za modeliranje ljudskih bolesti.

Slika 2. Shema poboljšanog DMT-a za razvoj lijekova za NDD-ove kroz povećanu inkorporaciju i/ili zamjenu modela izvedenih iz hiPSC-a. Razvoj bilo kojeg pretpostavljenog DMT-a počinje s fazom otkrića, koja obuhvaća i identifikaciju relevantnih meta gena i mehanizama bolesti.

Naknadni modeli bolesti osmišljeni su u ranoj pretkliničkoj fazi kako bi se istražila patofiziologija stanične bolesti i potvrdili ciljevi lijekova, kao i rani probir i optimizacija ranih CGT-IP/DMT. Progresivni razvoj DMT-a, uključujući daljnji razvoj modela i validaciju cilja, kao i istraživanje učinaka izvan cilja, događa se tijekom srednje predkliničke faze.

Kako DMT napreduje, daljnje informacije o farmakokinetičkoj i farmakodinamičkoj aktivnosti dobivaju se u kasnoj predkliničkoj fazi. Povećana uporaba modela izvedenih iz hiPSC-a u ovim fazama predstavlja privlačno poboljšanje postojećeg toka razvoja lijekova iz nekoliko razloga; naime, oni su isplativi, svestrani i, što je najvažnije, nadilaze mnoga urođena ograničenja postojećih životinjskih modela NDD-a.

U ovoj fazi, IND aplikacije se mogu podnijeti za navodne DMT-ove, koji trenutno sadrže 4 kritična cilja koja se moraju ispuniti s bilo kojim DMT-om u nastajanju, posebno CGT-IP-ovima: (1) odabir cilja, (2) razvoj i optimizacija glavnog spoja, (3) početni i eskalirajući režim doziranja, i (4) utvrđivanje izvedivosti i ROA.

Svaki od njih može se točno i prikladno tretirati zamjenom modela temeljenih na hiPSC u pretkliničkim studijama. DMT-i tada mogu dobiti odobrenje FDA za početak kliničkih ispitivanja.

Može se uključiti uključivanje modela temeljenih na hiPSC u dodatnoj fazi 1a, što olakšava poboljšani probir kandidata u fazi regrutiranja i identifikaciju potencijalnih osoba koje ne odgovaraju ili slabo reagiraju na temelju pretkliničkih genetskih studija.

DMT-i s dokazanom sigurnošću u fazi 1a zatim prolaze kroz kliničke studije faze 1, 2 i 3, nakon čega oni sa značajnim pozitivnim učinkom dobivaju regulatorno odobrenje za novu primjenu lijekova (NDA) i puštaju se u upotrebu potrošačima uz stalnu farmakovigilanciju kako bi se identificirali svi prethodno neidentificirani nepovoljnih ishoda tijekom vremena.

Ograničenja in vitro modela izvedenih iz hiPSC-a Vrijeme i ponovljivost

Tehnologije uzgoja hiPSC-a pojavile su se tijekom posljednjeg desetljeća, a njihova korisnost za modeliranje bolesti i pretkliničku procjenu pretpostavljenih DMT-a relativno je nova.

Kao i kod svake tehnologije u nastajanju, potrebno je uzeti u obzir nekoliko ograničenja kada se pokušava točno rekreirati biološka svojstva NDD-a. Prvo i najvažnije, uzgoj hiPSC-a i stvaranje točnih i pouzdanih staničnih modela može biti skupo, radno intenzivno i dugotrajno. U prosjeku košta od 10 000 do 25 USD000 da se validiraju hiPSC linije prema odgovarajućem standardu za medicinska istraživanja.203

Produžuju se procesi reprogramiranja, diferencijacije i sazrijevanja. Stanično reprogramiranje početnog tkiva u hiPSC može trajati najmanje 20 do 30 dana,151 a naknadna stanična diferencijacija i sazrijevanje variraju ovisno o željenom staničnom tipu i korištenoj metodi; na primjer, za stvaranje zrelih neurona, astrocita i mikroglijakana potrebno je od 6 do 15 tjedana, 204 4 do 9 tjedana, 205,206 ili 5 do 9 tjedana, 164,207.

Kao rezultat toga, istraživači često preferiraju upotrebu progenitorskih stanica kao stabilnih međuproizvoda za eksperimentiranje, budući da su široko reprezentativne za tip ciljne stanice i mogu se generirati u bržem vremenskom okviru.204 Stoga, vremenska ograničenja i troškovi potrebni za uspostavljanje sustava hiPSC modela mogu predstavljaju problem za mnoge istraživačke skupine.

Uz to, vrijeme potrebno za razvoj ključnih staničnih fenotipova povezanih s bolešću u stanicama izvedenim iz hiPSC-a također se uzima u obzir pri modeliranju NDD-ova. Dok su potrebna desetljeća života pacijenta da se pojave klinički i patološki simptomi, molekularni fenotipovi povezani s bolešću u modelima izvedenim iz hiPSC otkriveni su oko 2 mjeseca nakon sazrijevanja.208

Unatoč tome, ograničenja proizlaze iz ograničenog vijeka trajanja modela temeljenih na hiPSC u kulturi koji možda neće biti dovoljni za razvoj cjelovite slike koja podsjeća na bolest na staničnoj i tkivnoj razini.

Strategije usmjerene na ubrzavanje procesa diferencijacije i sazrijevanja, kao što je ugradnja inhibitora Notch i g-sekretaze za skraćivanje vremena sazrijevanja,209 i neurogenin-2 (Ngn2) ili NeuroD1 prekomjerna ekspresija158 bile su djelomično uspješne i dovele su do drugih problema proizašlih iz ektopične ekspresije.

Ostala ograničenja povezana su s ponovljivošću sustava u ponavljajućim eksperimentima i inherentnom varijabilnošću od modela do modela, uključujući nedostatke u pogledu čistoće kultura izvedenih iz hiPSC-a i prisutnosti nepoželjnih heterogenih staničnih populacija.210

Stoga je važno uzeti u obzir heterogenost staničnih populacija kada se koriste modeli bolesti izvedeni iz hiPSC-a, posebno u DMT probiru i procjeni učinkovitosti. Štoviše, zabilježeno je da kulture hiPSC pokazuju genomsku nestabilnost i sklone su genetskim aberacijama i mutacijama tijekom stanične ekspanzije i reprogramiranja.211

Također je potrebno paziti na korištenje izogenih linija koje su generirane različitim tehnikama uređivanja genoma, budući da se mogu pojaviti potencijalni učinci izvan cilja (npr. nenamjerna klonska varijabilnost među izogenim linijama i mutageneza izvan cilja).212,213 Stoga je važno povremeno procijeniti genomska stabilnost hiPSC-a kako bi se osigurao rigorozan DMT probir.

Izazovi u rekapitulaciji sporadične NDD patofiziologije i staničnih fenotipova

Složenost NDD-ova i nedostatak sveobuhvatne karakterizacije i mehaničkog razumijevanja njihovih staničnih fenotipova predstavljaju izazove u sposobnosti njihove rekapitulacije sa staničnim modelima, uključujući sustave temeljene na hiPSC.

Uzroci NDD-a su složeni i višestruki, uključujući poligene čimbenike rizika (tj. više gena i varijanti), epigenetske oznake, starenje, spol i čimbenike iz okoliša, kao što su okidači oksidativnog stresa, od kojih je neke teško izazvati, posebno na beskrajnom popisu različitih kombinacije, u laboratorijskom sustavu.

Nadalje, većina AD-PD modela izvedenih iz hiPSC-a izvedena je od pacijenata s obiteljskim mutacijama koje predstavljaju samo vrlo mali udio ukupnih slučajeva.214,215 Budući da mehanizmi koji podupiru obiteljske naspram sporadičnih oblika mogu biti različiti, postoji potreba za uspostavljanjem modela izvedenih iz hiPSC i fibroblasti dobiveni od SAD ili sporadičnih PD pacijenata.

U skladu s tim ciljem, posljednjih su se godina pojavile inicijative za skladištenje stanica pacijenata; to uključuje Applied StemCell (ASC), Kalifornijski institut za regenerativnu medicinu (CiRA), Cedars Sinai Induced Pluripotent Stem Cell Core, European Bank for Induced Pluripotent StemCells (EBiSC), Korean National Stem Cell Bank (KSCB), National Institute of Aging (NIA) , Nacionalni institut za neurološke poremećaje i moždani udar (NINDS), Nacionalni institut za opće medicinske znanosti (NIGMS) i Istraživački institut WiCell (WiCell) (Tablica S2).

Očekivani rast ovih zbirki olakšat će uspostavljanje modela izvedenih iz hiPSC koji su prikladniji za istraživanje uobičajenog sAD-a i sporadičnog PD-a.

Unatoč tome, modeli hiPSC izvedeni iz sporadičnih NDD pacijenata proizvode odgovarajuće stanične fenotipove karakteristične za AD181 i PD216 nakon okolišnih manipulacija, kao što su izloženost neurotoksinima i kemijska indukcija oksidativnog stresa.

Također, nedavna studija otkrila je promjene u ekspresiji mitohondrijskih proteina i povišeni oksidativni stres u hiPSC-ima generiranim od SAD pacijenata, unatoč izrazitom nedostatku Ab i tau patologije,217 što sugerira da hiPSC modeli mogu otkriti vrijedan uvid u nijansiranu patofiziologiju specifičnu za sporadične NDD podtipove.

Nadalje, nedavna studija koju su proveli Meyer i suradnici218 koristila je hiPSC-ove dobivene od bolesnika sa sAD-om i otkrila da je MAPT, koji kodira protein tau, značajno povećan u stanicama izvedenim iz sAD-a u usporedbi sa zdravim kontrolama.

Stoga, unatoč ovim izazovima, trenutni modeli izvedeni iz hiPSC-a izvrsni su surogati koji pružaju priliku za oponašanje patofiziologije bolesti i uspostavljanje zlatnih standardnih karakteristika bolesti s potpunom genetskom podlogom u sporadičnih pacijenata, što se može iskoristiti kao mjere ishoda za poboljšanje kasnijih modela bolesti.

For more information:1950477648nn@gmail.com