Calea spre progres Studiile preclinice ale bolilor neurodegenerative legate de vârstă: o perspectivă asupra modelelor de rozătoare și derivate din HiPSC Partea 5

Avantajele sistemelor celulare derivate din hiPSC și ale modelelor de boală

Platforme îmbunătățite de modelare a bolilor și de descoperire a medicamentelor

Potențialul modelelor in vitro bazate pe hiPSC de a fi foarte informativ pentru NDD cu o investigație a componentei genetice umane este mare.

Relația dintre genetica umană și memorie este o problemă mult discutată, mai ales în societatea modernă, unde ne concentrăm pe dezvoltarea personală și pe învățare. Deși informațiile noastre genetice determină caracteristicile noastre de bază la naștere, memoria este diferită de caracteristicile fixe, cum ar fi înălțimea și culoarea pielii. În schimb, poate fi cultivat și îmbunătățit și joacă un rol important în viața de zi cu zi.

În primul rând, cercetările științifice arată că memoria nu este direct legată de genele genetice. Deși unii oameni se nasc mai inteligenți decât alții, pe termen lung, memoria poate fi îmbunătățită treptat prin învățare și cultivare. În procesul nostru de învățare, de la școala elementară până la universitate, trebuie să ne folosim și să ne îmbunătățim constant memoria pentru a ne îmbunătăți performanța academică. De exemplu, ne amintim problemele și soluțiile prin revizuire și practică repetată, ceea ce ne ajută să ne exersăm capacitatea de memorie.

În al doilea rând, un stil de viață sănătos ne ajută foarte mult memoria. Sănătatea fizică are un impact și un efect mare asupra memoriei, cum ar fi somnul adecvat, o dietă sănătoasă și un exercițiu moderat. Începem cu propriul corp și rămânem sănătoși prin exerciții fizice și un stil de viață sănătos, ceea ce ne va face memoria mai clară și mai ascuțită.

În cele din urmă, ne putem extinde capacitatea de memorie, lărgindu-ne constant orizonturile și participând la diverse lucruri noi. De exemplu, putem încerca să învățăm o nouă limbă și să participăm la activități sociale precum călătoriile, iar aceste experiențe pot crea mai multe amintiri în mintea noastră.

Pe scurt, relația dintre genetica umană și memorie este complexă și diversă și, desigur, vor exista diferențe corespunzătoare bazate pe diferențele genetice personale. Dar nu ar trebui să ignorăm ceea ce putem face: îmbunătățirea memoriei și a capacității noastre de autogestionare prin învățare continuă, viață sănătoasă și extinderea constantă a orizontului este cel mai bun mod pentru noi de a depăși diferențele genetice. Se poate observa că trebuie să ne îmbunătățim memoria, iar Cistanche poate îmbunătăți semnificativ memoria deoarece Cistanche este un medicament tradițional chinezesc cu multe efecte unice, dintre care unul este îmbunătățirea memoriei. Eficacitatea Cistanche provine din diferitele sale ingrediente active, inclusiv acidul tanic, polizaharidele, glicozidele flavonoide etc. Aceste ingrediente pot promova sănătatea creierului în multe feluri.

Faceți clic pe Cunoaștere pentru a îmbunătăți memoria pe termen scurt

Capacitatea de a corela genele candidate NDD cu fenotipurile celulare, cum ar fi profilurile de expresie a ARN și proteinelor, modificările morfologice și semnăturile biochimice în celulele derivate din hiPSC, facilitează studiile care abordează modul în care componentele genetice umane ale NDD-urilor complexe, cum ar fi AD și PD, sunt exprimate pe la nivel celular.

Este bine cunoscut faptul că debutul, progresia și severitatea neurodegenerării sunt determinate de factori genetici complecși și de interacțiunea mai multor variante genetice cu efecte relativ minore.

Acest peisaj genetic înnăscut capturat în modelele hiPSC derivate de la pacient ne permite să investigăm determinanții genetici și factorii biologici, împreună cu capacitatea de a genera modele NDD in vitro modulare, de înaltă fidelitate, pentru a ne baza înțelegerea noastră actuală a biologiei bolii. Tehnologia hiPSC reprezintă în prezent singurul uman disponibil. -modele bazate pe care este captat întregul peisaj genetic al pacienților.

De asemenea, posibilitatea de a aplica tehnologii de editare a genomului, cum ar fi CRISPR-Cas9, folosind hiPSC-uri a permis generarea de modele izogenice pentru evaluarea unor variante genetice precise. Pe lângă scalabilitate, hiPSC-urile sunt autoregenerabile.

Astfel, modelele derivate din hiPSC prezintă un sistem promițător de prim plan pentru studiile preclinice. Mai mult, diversitatea genetică umană capturată în capacitatea hiPSC derivată de la pacient le face potrivite pentru evaluarea abordărilor „medicinei personalizate”.

Capacitatea de a analiza eficient reacțiile individuale la tratamente și de a identifica persoanele care nu răspund sau respondenții slabi înainte de administrare într-un cadru clinic subliniază și mai mult adecvarea modelelor derivate din hiPSC pentru evaluările preclinice (Figura 2).

În mod colectiv, informațiile potențiale generate prin studiile preclinice în modelele hiPSC sunt robuste, relevante pentru subiecții umani și esențiale de implementat în proiectarea altor studii clinice (de exemplu, stratificarea subiecților studiului) pentru a îmbunătăți acuratețea rezultatelor.

Depășirea limitelor modelelor animale

hiPSC-urile oferă o modalitate de a depăși multe dintre problemele prezente în modelele actuale bazate pe animale, așa cum sa discutat anterior. În primul rând, modelele derivate din iPS oferă o platformă bazată pe oameni pentru evaluarea potențialelor terapeutice în peisajul genetic real al bolii umane.

În al doilea rând, prin obținerea celulelor de la pacienți, multe probleme tehnice privind cel mai bun mod de a modela mutațiile bolii umane sunt ocolite, deoarece modelul conține fundalul genetic unic al pacientului. În al treilea rând, celulele hiPSC sunt ușor accesibile manipulării genetice și farmacologice, permițând teste structurale și funcționale de mare capacitate care evaluează fenotipul bolii.

În acest scop, am dezvoltat recent un model neuronal DA derivat din hiPSC obținut de la un pacient PD cu triplicare SNCA pentru a evalua un LV GT all-in-one care vizează reducerea nivelurilor SNCA. Intervenția noastră LV a redus cu succes nivelurile SNCA și a salvat fenotipurile legate de boli prin generarea de specii oxidative reactive (ROS) și păstrarea viabilității celulare.140

În al patrulea rând, în comparație cu modelul standard de rozătoare, generarea de modele bazate pe hiPSC in vitro poate fi realizată într-un timp semnificativ mai scurt, de ordinul a 30 de zile, spre deosebire de modelele animale care pot varia de la luni la ani.

În al cincilea rând, și în concordanță cu punctul anterior, modelele bazate pe hiPSC sunt considerabil mai puțin costisitoare și consumatoare de energie decât modelele de rozătoare, în special atunci când se iau în considerare obligațiile și infrastructura de îngrijire a animalelor în curs, reglementări, precum și cerințele de instruire și conformitate. Modelarea bolilor preclinice din ce în ce mai economică crește accesibilitatea pentru grupurile de cercetare pentru a evalua terapiile presupuse, îmbunătățește translabilitatea și în cele din urmă îmbunătățește eficiența dezvoltării DMT.202

În total, aceste avantaje conferă modelelor derivate din hiPSC un avantaj distinct în studiul neurodegenerării, iar astfel de modele au potențialul de a genera noi descoperiri care au fost inaccesibile în modelele anterioare de culturi celulare și boli animale.

Studiile analizate aici demonstrează necesitatea și valoarea încorporării modelelor bazate pe hiPSC 2D și 3D în studiile mecaniciste NDD care elucidează factorii implicați în cauzarea bolii și căile patogene, precum și în studiile translaționale și de descoperire a medicamentelor, cum ar fi identificarea și validarea țintei terapeutice. .

Împreună, modelele NDD derivate din hiPSC reprezintă un salt înainte în cercetarea medicală prin modelarea îmbunătățită a bolii, care este considerabil fezabilă, cu experimente relativ mai scurte, care sunt rentabile și poate cel mai important, precise și potrivite pentru modelarea bolilor umane.

Figura 2. Schemă a conductei îmbunătățite de dezvoltare a medicamentelor DMT pentru NDD prin creșterea încorporarii și/sau înlocuirea modelelor derivate din hiPSC Dezvoltarea oricărui DMT presupus începe cu faza de descoperire, care cuprinde atât identificarea țintelor genetice pertinente, cât și a mecanismelor bolii.

Modelele de boală ulterioare sunt concepute în faza preclinică timpurie pentru a explora patofiziologia bolii celulare și a valida țintele medicamentului, precum și screening-ul și optimizarea timpurii a CGT-IP/DMT-urilor timpurii. Dezvoltarea progresivă a DMT, inclusiv dezvoltarea ulterioară a modelului și validarea țintei, precum și investigarea efectelor în afara țintei, are loc în timpul fazei preclinice de mijloc.

Pe măsură ce DMT progresează, se obțin informații suplimentare cu privire la activitatea farmacocinetică și farmacodinamică în faza preclinică târzie. Utilizarea crescută a modelelor derivate de hIPSC în aceste faze reprezintă o îmbunătățire atractivă a conductei de dezvoltare a medicamentelor existente pentru mai multe reasonuri; și anume, sunt rentabile, versatile și, cel mai important, depășesc multe dintre limitările înnăscute ale modelelor animale existente de NDD.

În această etapă, cererile IND pot fi depuse pentru DMT presupuse, care conțin în prezent 4 obiective critice care trebuie îndeplinite cu orice DMT emergente, în special CGT-IP-uri: (1) selecția țintei, (2) dezvoltarea și optimizarea compusului principal, (3) inițial și escaladarea regimului de dozare și (4) stabilirea fezabilității și a ROA.

Fiecare dintre acestea poate fi abordată în mod precis și adecvat prin înlocuirea modelelor bazate pe hiPSC în studiile preclinice. DMTs pot primi apoi aprobarea FDA pentru a începe studiile clinice.

Încorporarea modelelor bazate pe hiPSC într-o fază suplimentară 1a poate fi inclusă, ceea ce facilitează screening-ul îmbunătățit al candidaților în faza de recrutare și identificarea potențialilor nonrespondenți sau a respondenților slabi pe baza studiilor genetice preclinice.

DMT cu siguranță demonstrabilă în faza 1a progresează apoi prin studiile clinice de faza 1, 2 și 3, după care cei cu un efect pozitiv semnificativ primesc aprobarea de reglementare pentru cererea de medicamente noi (NDA) și sunt eliberați pentru utilizare consumatorilor cu farmacovigilență continuă pentru a identifica orice neidentificat anterior. rezultate adverse în timp.

Limitări ale modelelor in vitro derivate din hiPSC, timp și reproductibilitate

Tehnologiile de cultură ale hiPSC-urilor au apărut în ultimul deceniu, iar utilitatea lor pentru modelarea bolii și evaluarea preclinică a DMT-urilor putative este relativ nouă.

Ca și în cazul oricărei tehnologii emergente, trebuie luate în considerare câteva limitări atunci când se încearcă recrearea cu acuratețe a caracteristicilor biologice ale NDD. În primul rând, cultivarea hiPSC-urilor și generarea de modele celulare precise și fiabile pot fi costisitoare, consumatoare de forță de muncă și consumatoare de timp. În medie, costă 10 USD,000 până la 25 USD000 pentru a valida liniile hiPSC la un standard adecvat pentru cercetarea medicală.203

Procesele de reprogramare, diferențiere și maturizare sunt prelungite. Reprogramarea celulară a țesutului inițial în hiPSC poate dura cel puțin 20 până la 30 de zile,151 și diferențierea și maturarea celulară ulterioară variază în funcție de tipul celular dorit și metoda utilizată; de exemplu, generarea de neuroni maturi, astrocite și microgliacan necesită între 6 și 15 săptămâni,204 4 până la 9 săptămâni, 205,206 sau 5 până la 9 săptămâni, respectiv 164,207.

Drept urmare, cercetătorii prezintă deseori utilizarea celulelor progenitoare ca intermediari stabili pentru experimentare, deoarece sunt reprezentative în mare parte pentru tipul de celule țintă și pot fi generate într -un interval de timp mai rapid.204 prezintă o preocupare pentru multe grupuri de cercetare.

În plus, timpul necesar pentru dezvoltarea fenotipurilor celulare cheie asociate bolii în celulele derivate din hiPSC este, de asemenea, o considerație în modelarea NDD-urilor. În timp ce este nevoie de zeci de ani din viața unui pacient pentru a prezenta simptome clinice și patologice, fenotipurile moleculare legate de boală în modelele derivate din hiPSC au fost detectate la aproximativ 2 luni după maturare.208

Cu toate acestea, constrângerile provin din durata de viață limitată a modelelor bazate pe hiPSC, care poate să nu fie suficientă pentru a dezvolta o imagine completă asemănătoare bolii la nivel celular și tisular.

Strategiile care vizează accelerarea procesului de diferențiere și maturare, cum ar fi încorporarea inhibitorilor Notch și g-secretazei pentru a scurta timpul de maturare,209 și supraexpresia neurogeninei-2 (Ngn2) sau NeuroD1158 au avut succes parțial și au introdus alte preocupări ridicate de expresia ectopică.

Other limitations are related to the reproducibility of the systems in repetitive experiments and the inherent model-to-model variability,including setbacks regarding the purity of the hiPSC-derived cultures and the presence of undesirable heterogeneous cellular populations.210 

Astfel, este important să se țină seama de eterogenitatea populațiilor de celule atunci când se utilizează modele de boală derivate din hiPSC, în special screening-ul în DMT și evaluarea eficacității. Mai mult, culturile hiPSC au fost raportate că prezintă instabilitate genomică și sunt predispuse să dobândească aberații genetice și mutații în timpul expansiunii și reprogramării celulare.211

De asemenea, trebuie avută grijă la utilizarea liniilor izogenice generate de diferite tehnici de editare a genomului, deoarece pot apărea efecte potențiale în afara țintei (de exemplu, variabilitatea clonală neintenționată între liniile izogenice și mutageneza în afara țintă).212,213 Prin urmare, este important să se evalueze periodic. stabilitatea genomică a hiPSC-urilor pentru a asigura un screening riguros al DMT.

Provocări în recapitularea fiziopatologiei NDD sporadice și fenotipurilor celulare

Complexitatea NDD-urilor și lipsa unei caracterizări cuprinzătoare și a înțelegerii mecanice a fenotipurilor lor celulare reprezintă provocări în capacitatea de a le recapitula cu modele celulare, inclusiv sisteme bazate pe hiPSC.

Cauzele NDD sunt complexe și multifactoriale, incluzând factori de risc poligenici (de exemplu, multiplegene și variante), semne epigenetice, îmbătrânire, sex și factori de mediu, cum ar fi factorii declanșatori ai stresului oxidativ, dintre care unii sunt greu de indus, în special într-o listă nesfârșită de diverse combinatii, intr-un sistem de laborator.

În plus, majoritatea modelelor AD-PD derivate din hiPSC sunt derivate de la pacienți cu mutații familiale care reprezintă doar o proporție foarte mică din cazurile totale. hiPSCs și fibroblaste obținute de la pacienți cu sAD sau PD sporadici.

În acest scop, au apărut inițiative ale depozitelor de celule ale pacienților în ultimii ani; acestea includ 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), National Institute of Aging (NIA) , National Institue of Neurological Disordersand Stroke (NINDS), National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) și WiCell Research Institute (WiCell) (Tabelul S2).

Creșterea așteptată a acestor colecții va facilita stabilirea de modele derivate din hiPSC mai potrivite pentru cercetarea sAD comune și PD sporadice.

Cu toate acestea, modelele hiPSC derivate de la pacienții sporadici cu NDD produc fenotipuri celulare adecvate caracteristice AD181 și PD216 la manipulări ale mediului, cum ar fi expunerea la neurotoxine și inducerea chimică a stresului oxidativ.

De asemenea, un studiu recent a relevat modificări ale expresiei proteinelor mitocondriale și stres oxidativ crescut în hiPSC-urile generate de la pacienții cu sAD, în ciuda unei lipse marcate de patologie Ab și tau,217 sugerând că modelele hiPSC pot dezvălui o perspectivă valoroasă asupra fiziopatologiei nuanțate specifice subtipurilor sporadice NDD.

Mai mult, un studiu recent al lui Meyer și colab.218 a utilizat hiPSC-uri derivate de la pacienți cu sAD și a constatat că MAPT, care codifică proteina tau, a fost semnificativ crescută în celulele derivate din sAD în comparație cu martorii sănătoși.

Astfel, în ciuda acestor provocări, modelele actuale derivate din hiPSC sunt surogate excelente care oferă posibilitatea de a imita fiziopatologia bolii și de a stabili caracteristicile standard ale bolii cu bazele genetice complete la pacienții sporadici, care pot fi valorificate ca măsuri de rezultat pentru a îmbunătăți modelele ulterioare ale bolii.

For more information:1950477648nn@gmail.com