Шлях до прогресу. Доклінічні дослідження нейродегенеративних захворювань, пов’язаних із віком: погляд на моделі гризунів і HiPSC, частина 5

Переваги клітинних систем і моделей захворювань на основі hiPSC

Покращене моделювання захворювань і платформи для виявлення ліків

Потенціал моделей in vitro на основі hiPSC бути високоінформативними для NDD з дослідженням генетичного компонента людини високий.

Взаємозв’язок між генетикою людини та пам’яттю є питанням, яке багато обговорюється, особливо в сучасному суспільстві, де ми зосереджені на особистому розвитку та навчанні. Хоча наша генетична інформація визначає наші основні характеристики при народженні, пам’ять відрізняється від фіксованих характеристик, таких як наш зріст і колір шкіри. Натомість його можна культивувати та вдосконалювати, і він відіграє важливу роль у повсякденному житті.

По-перше, наукові дослідження показують, що пам'ять не пов'язана безпосередньо з генетичними генами. Хоча деякі люди народжуються розумнішими за інших, у довгостроковій перспективі пам’ять можна поступово покращити шляхом навчання та вдосконалення. У нашому навчальному процесі від початкової школи до університету нам потрібно постійно використовувати та вдосконалювати свою пам’ять, щоб підвищити свою академічну успішність. Наприклад, ми запам’ятовуємо проблеми та рішення через повторний перегляд і практику, що допомагає розвивати нашу пам’ять.

По-друге, здоровий спосіб життя також дуже допомагає нашій пам'яті. Фізичне здоров’я має великий вплив на пам’ять, як-от достатній сон, здорове харчування та помірні фізичні вправи. Ми починаємо з власного тіла і зберігаємо здоров’я завдяки фізичним вправам і здоровому способу життя, які зроблять нашу пам’ять чіткішою та гострішою.

Нарешті, ми також можемо розширити свою пам’ять, постійно розширюючи свій кругозір і беручи участь у різноманітних нових речах. Наприклад, ми можемо спробувати вивчити нову мову та брати участь у соціальних заходах, таких як подорожі, і цей досвід може створити більше спогадів у нашій свідомості.

Коротше кажучи, зв’язок між людською генетикою та пам’яттю складний і різноманітний, і, звичайно, будуть відповідні відмінності, засновані на особистих генетичних відмінностях. Але ми не повинні ігнорувати те, що ми можемо зробити: покращення нашої пам’яті та здатності до самоконтролю шляхом постійного навчання, здорового способу життя та постійного розширення кругозору є найкращим способом для нас подолати генетичні відмінності. Видно, що нам потрібно покращити нашу пам’ять, і цистанхе може значно покращити пам’ять, оскільки цистанхе є традиційною китайською медициною з багатьма унікальними ефектами, одним із яких є покращення пам’яті. Ефективність цистанхе полягає в його різноманітних активних інгредієнтах, включаючи дубильну кислоту, полісахариди, флавоноїдні глікозиди тощо. Ці інгредієнти можуть сприяти здоров’ю мозку різними способами.

Натисніть Знати, щоб покращити короткочасну пам'ять

Здатність корелювати гени-кандидати NDD з клітинними фенотипами, такими як профілі експресії РНК і білка, морфологічні зміни та біохімічні ознаки в клітинах, отриманих з hiPSC, полегшує дослідження того, як людські генетичні компоненти складних NDD, таких як AD і PD, експресуються на клітинний рівень.

Крім того, hiPSC дозволяють включати генетичну складність основного генетичного фону пацієнта в модель, яка часто заперечується (наприклад, хімічні моделі) або надмірно спрощується (наприклад, моделі моногенетичних варіантів тварин).

Загальновідомо, що початок, прогресування та тяжкість нейродегенерації визначаються складними генетичними факторами та взаємодією кількох генетичних варіантів із відносно незначними наслідками.

Цей вроджений генетичний ландшафт, зафіксований у моделях hiPSC, отриманих від пацієнтів, дозволяє нам досліджувати генетичні детермінанти та біологічні фактори в поєднанні з можливістю генерувати модульні, високоточні моделі NDD in vitro, щоб спиратися на наше поточне розуміння біології захворювань. Технологія hiPSC наразі представляє єдину доступну людину засновані на моделях, в яких фіксується повний генетичний ландшафт пацієнтів.

Крім того, можливість застосування технологій редагування геному, таких як CRISPR-Cas9, за допомогою hiPSC дозволила створити ізогенні моделі для оцінки точних генетичних варіантів. На додаток до масштабованості, hiPSC самовідновлюються.

Таким чином, моделі, отримані з hiPSC, представляють передову багатообіцяючу систему для доклінічних досліджень. Більше того, людське генетичне різноманіття, зафіксоване в отриманих пацієнтами hiPSCcapacity, робить їх придатними для оцінки підходів «персоналізованої медицини».

Можливість ефективного скринінгу індивідуальних реакцій на лікування та виявлення тих, хто не відповідає або погано відповідає, перед введенням у клінічних умовах ще більше підкреслює придатність моделей, отриманих на основі hiPSC, для доклінічної оцінки (рис. 2).

У сукупності потенційна інформація, отримана в ході доклінічних досліджень у моделях hiPSC, є надійною, актуальною для суб’єктів дослідження та має важливе значення для впровадження в дизайн клінічних випробувань (наприклад, стратифікація суб’єктів дослідження) для підвищення точності результатів.

Подолання обмежень тваринних моделей

hiPSCs пропонують спосіб подолання багатьох проблем, присутніх у сучасних моделях на основі тварин, як обговорювалося раніше. По-перше, моделі, отримані з iPS, забезпечують людську платформу для оцінки потенційних терапевтичних засобів у фактичному генетичному ландшафті людської хвороби.

По-друге, шляхом отримання клітин від пацієнтів можна обійти багато технічних проблем щодо найкращого способу моделювання мутацій захворювань людини, оскільки модель містить унікальну генетичну основу пацієнта. По-третє, клітини hiPSC легко доступні для генетичних і фармакологічних маніпуляцій, що дозволяє проводити високопродуктивні структурні та функціональні аналізи, які оцінюють фенотип захворювання.

З цією метою ми нещодавно розробили нейрональну модель DA, отриману від hiPSC, отриману від пацієнта з ХП із триплікацією SNCA, щоб оцінити комплексну ГТ ЛШ, спрямовану на зниження рівнів SNCA. Наше втручання в LV успішно знизило рівні SNCA та врятувало фенотипи, пов’язані із захворюваннями, завдяки генерації реактивних окислювальних видів (ROS) і збереженню життєздатності клітин.140

По-четверте, порівняно зі стандартною моделлю гризунів, створення моделей in vitro на основі hiPSC може бути досягнуто за значно коротший термін, приблизно за 30 днів, на відміну від тваринних моделей, які можуть варіюватися від місяців до років.

По-п’яте, згідно з попереднім пунктом, моделі на основі hiPSC є значно менш дорогими та споживають енергію, ніж моделі гризунів, особливо якщо взяти до уваги поточні зобов’язання щодо утримання тварин та інфраструктуру, правила, а також вимоги до навчання та відповідності. Все більш економічне моделювання доклінічних захворювань збільшує доступність дослідницьких груп для оцінки передбачуваних терапевтичних засобів, покращує трансляцію та, зрештою, покращує ефективність розробки DMT.202

Загалом ці переваги дають моделям, отриманим на основі hiPSC, явну перевагу у вивченні нейродегенерації, і такі моделі мають потенціал для створення нових відкриттів, які були недоступні в попередніх моделях культур клітин і хвороб тварин.

Дослідження, розглянуті тут, демонструють необхідність і цінність включення 2D і 3D моделей на основі hiPSC у дослідження механізмів NDD, що з’ясовують фактори, залучені до причинно-наслідкових зв’язків із захворюваннями та патогенних шляхів, а також у трансляційних дослідженнях і дослідженнях відкриття ліків, таких як ідентифікація та валідація терапевтичних цілей. .

Разом моделі NDD, отримані за допомогою hiPSC, являють собою крок вперед у медичних дослідженнях завдяки вдосконаленому моделюванню захворювань, яке є значно здійсненним, з відносно коротшими експериментами, які є економічно ефективними та, можливо, найважливішим, точними та придатними для моделювання захворювань людини.

Рисунок 2. Схема вдосконаленого каналу розробки лікарських засобів ДМТ для НДЗ шляхом посиленого включення та/або заміни моделей, отриманих із hiPSC. Розробка будь-якого передбачуваного ДМТ починається з фази відкриття, яка охоплює як ідентифікацію відповідних генів-мішеней, так і механізмів захворювання.

Подальші моделі захворювання розробляються на ранній доклінічній фазі для вивчення патофізіології клітинного захворювання та перевірки мішеней ліків, а також раннього скринінгу та оптимізації ранніх CGT-IPs/DMTs. Прогресивний розвиток DMT, включаючи подальшу розробку моделі та цільову валідацію, а також дослідження нецільових ефектів, відбувається в середині доклінічної фази.

У міру прогресування DMT додаткова інформація щодо фармакокінетичної та фармакодинамічної активності отримується на пізній доклінічній фазі. Розширене використання моделей, отриманих з hiPSC, на цих етапах представляє привабливе вдосконалення існуючої лінії розробки ліків з кількох причин; а саме, вони є економічно ефективними, універсальними і, що найважливіше, долають багато вроджених обмежень існуючих тваринних моделей NDD.

На цьому етапі заявки IND можуть бути подані для передбачуваних DMT, які наразі містять 4 критичні цілі, які повинні бути досягнуті з будь-яким новим DMT, зокрема CGT-IP: (1) вибір цілі, (2) розробка та оптимізація головної сполуки, (3) початкова і режим ескалації дозування, і (4) встановлення здійсненності та ROA.

Кожне з них можна точно та належним чином визначити шляхом заміни моделей на основі hiPSC у доклінічних дослідженнях. Після цього ДМТ може отримати схвалення FDA для початку клінічних випробувань.

Може бути включено включення моделей на основі hiPSC у додаткову фазу 1a, що сприяє покращеному скринінгу кандидатів на етапі набору та ідентифікації потенційних тих, хто не відповідає або погано відповідає, на основі доклінічних генетичних досліджень.

ДМТ з підтвердженою безпекою у фазі 1а потім проходять фази 1, 2 і 3 клінічних випробувань, після чого ті, що мають значний позитивний ефект, отримують дозвіл регуляторних органів на нову заявку на лікарський засіб (NDA) і випускаються для використання споживачами з постійним фармаконаглядом для виявлення будь-яких раніше неідентифікованих несприятливі наслідки з часом.

Обмеження моделей in vitro, отриманих за допомогою hiPSC. Час і відтворюваність

Технології культивування hiPSCs з’явилися протягом останнього десятиліття, і їх використання для моделювання захворювань і доклінічної оцінки передбачуваних DMT є відносно новим.

Як і у випадку з будь-якою новою технологією, намагаючись точно відтворити біологічні характеристики НДЗ, необхідно враховувати кілька обмежень. Перш за все, культивування hiPSC і створення точних і надійних клітинних моделей може бути дорогим, трудомістким і тривалим. У середньому перевірка ліній hiPSC на відповідність стандарту для медичних досліджень коштує від 10{3}} до 25 доларів США000.203

Процеси перепрограмування, диференціації та дозрівання подовжуються. Клітинне перепрограмування стартової тканини в hiPSC може зайняти щонайменше 20-30 днів,151 і подальша клітинна диференціація та дозрівання змінюються залежно від бажаного типу клітини та використаного методу; наприклад, генерація зрілих нейронів, астроцитів і мікрогліаканів вимагає від 6 до 15 тижнів, 204 4 до 9 тижнів, 205,206 або від 5 до 9 тижнів, 164,207 відповідно.

Як наслідок, дослідники часто віддають перевагу використанню клітин-попередників як стабільних проміжних продуктів для експериментів, оскільки вони в цілому є репрезентативними для цільового типу клітин і можуть бути згенеровані за більш швидкий період часу.204 Таким чином, часові обмеження та витрати, необхідні для створення системи моделі hiPSC, можуть викликає занепокоєння багатьох дослідницьких груп.

Крім того, час, необхідний для розвитку ключових клітинних фенотипів, пов’язаних із захворюванням, у клітинах, отриманих із hiPSC, також враховується при моделюванні NDD. У той час як необхідні десятиліття життя пацієнта для появи клінічних і патологічних симптомів, пов’язані з хворобою молекулярні фенотипи в моделях, отриманих з hiPSC, були виявлені приблизно через 2 місяці після дозрівання.208

Тим не менш, обмеження випливають з обмеженої тривалості життя моделей на основі hiPSC в культурі, що може бути недостатнім для розробки повної картини, що нагадує хворобу на клітинному та тканинному рівнях.

Стратегії, спрямовані на прискорення процесу диференціювання та дозрівання, такі як включення інгібіторів Notch та g-секретази для скорочення часу дозрівання,209 і нейрогеніну -2 (Ngn2) або надмірної експресії NeuroD1158 були частково успішними та викликали інші проблеми, викликані позаматковою експресією.

Інші обмеження пов’язані з відтворюваністю систем у повторюваних експериментах і властивою мінливістю від моделі до моделі, включаючи недоліки щодо чистоти культур, отриманих з hiPSC, і присутності небажаних гетерогенних клітинних популяцій.210

Таким чином, важливо враховувати неоднорідність клітинних популяцій при використанні моделей захворювання, отриманих з hiPSC, зокрема при скринінгу DMT та оцінці ефективності. Крім того, повідомляється, що культури hiPSC демонструють геномну нестабільність і схильні до генетичних аберацій і мутацій під час клітинної експансії та перепрограмування.211

Також слід бути обережним при використанні ізогенних ліній, створених за допомогою різних методів редагування геному, оскільки можуть виникнути потенційні нецільові ефекти (наприклад, ненавмисна клональна мінливість між ізогенними лініями та нецільовий мутагенез).212,213 Таким чином, важливо періодично оцінювати геномна стабільність hiPSC для забезпечення ретельного скринінгу DMT.

Проблеми у повторенні патофізіології спорадичного НДЗ та клітинних фенотипів

Складність NDD та відсутність комплексної характеристики та механістичного розуміння їхніх клітинних фенотипів створюють проблеми у здатності повторити їх за допомогою клітинних моделей, включаючи системи на основі hiPSC.

Причини NDD є складними та багатофакторними, включаючи полігенні фактори ризику (тобто численні гени та варіанти), епігенетичні ознаки, старіння, стать та фактори навколишнього середовища, такі як тригери окисного стресу, деякі з яких важко індукувати, особливо в нескінченному списку різноманітних комбінації в лабораторній системі.

Крім того, більшість моделей AD-PD, отриманих за допомогою hiPSC, походять від пацієнтів із сімейними мутаціями, які представляють лише дуже невелику частку загальних випадків.214,215 Оскільки механізми, що лежать в основі сімейних і спорадичних форм, можуть бути різними, існує необхідність створити моделі, отримані з hiPSC та фібробласти, отримані від хворих на САР або спорадичний ХП.

Для досягнення цієї мети останніми роками з’явилися ініціативи щодо сховищ клітин пацієнтів; це Applied StemCell (ASC), Каліфорнійський інститут регенеративної медицини (CiRA), Cedars Sinai Induced Pluripotent Stem Cell Core, Європейський банк індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (EBiSC), Корейський національний банк стовбурових клітин (KSCB), Національний інститут старіння (NIA) , Національний інститут неврологічних розладів та інсульту (NINDS), Національний інститут загальних медичних наук (NIGMS) і Науково-дослідний інститут WiCell (WiCell) (Таблиця S2).

Очікуване зростання цих колекцій сприятиме створенню моделей на основі hiPSC, які будуть більш придатними для дослідження звичайних sAD та спорадичних PD.

Тим не менш, моделі hiPSC, отримані від спорадичних пацієнтів із NDD, виробляють відповідні клітинні фенотипи, характерні для AD181 і PD216, після маніпуляцій навколишнього середовища, таких як вплив нейротоксинів і хімічна індукція окисного стресу.

Крім того, нещодавнє дослідження виявило зміни в експресії мітохондріального білка та підвищений окислювальний стрес у hiPSCs, створених від пацієнтів із SAD, незважаючи на помітну відсутність патології Ab і tau,217 що свідчить про те, що моделі hiPSC можуть розкрити цінну інформацію про нюанси патофізіології, характерні для спорадичних підтипів NDD.

Крім того, у нещодавньому дослідженні, проведеному Meyer et al.218, використовувалися hiPSC, отримані від пацієнтів із SAD, і було встановлено, що MAPT, який кодує білок тау, був значно підвищений у клітинах, отриманих із SAD, порівняно зі здоровими контрольними особами.

Таким чином, незважаючи на ці виклики, поточні моделі, отримані з hiPSC, є чудовими сурогатами, які дають можливість імітувати патофізіологію захворювання та встановити золоті стандартні характеристики захворювання з повною генетичною основою у спорадичних пацієнтів, які можна використовувати як результати для покращення наступних моделей захворювання.

For more information:1950477648nn@gmail.com