Laluan Ke Kemajuan Kajian Praklinikal Penyakit Neurodegeneratif Berkaitan Umur: Perspektif Terhadap Model Tikus dan HiPSC yang Diperolehi Bahagian 5

Kelebihan Sistem Selular dan Model Penyakit yang Diperolehi hiPSC

Platform Pemodelan Penyakit dan Penemuan Dadah yang Diperbaiki

Potensi untuk model in vitro berasaskan hiPSC menjadi sangat bermaklumat untuk NDD dengan penyiasatan komponen genetik manusia adalah tinggi.

Hubungan antara genetik manusia dan ingatan adalah isu yang banyak dibincangkan, terutamanya dalam masyarakat moden, di mana kita memberi tumpuan kepada pembangunan dan pembelajaran peribadi. Walaupun maklumat genetik kita menentukan ciri asas kita semasa lahir, ingatan berbeza daripada ciri tetap seperti ketinggian dan warna kulit kita. Sebaliknya, ia boleh ditanam dan diperbaiki, dan ia memainkan peranan penting dalam kehidupan seharian.

Pertama sekali, penyelidikan saintifik menunjukkan bahawa ingatan tidak berkaitan secara langsung dengan gen genetik. Walaupun sesetengah orang dilahirkan lebih bijak daripada orang lain, dalam jangka masa panjang, ingatan boleh ditingkatkan secara beransur-ansur melalui pembelajaran dan penanaman. Dalam proses pembelajaran kita dari sekolah rendah hingga ke universiti, kita perlu sentiasa menggunakan dan meningkatkan daya ingatan untuk meningkatkan prestasi akademik kita. Sebagai contoh, kita mengingati masalah dan penyelesaian melalui semakan dan latihan berulang, yang membantu untuk menggunakan keupayaan ingatan kita.

Kedua, gaya hidup sihat juga banyak membantu daya ingatan kita. Kesihatan fizikal mempunyai kesan dan kesan yang besar terhadap ingatan, seperti tidur yang mencukupi, diet yang sihat dan senaman sederhana. Kita bermula dengan badan kita sendiri dan kekal sihat melalui senaman dan gaya hidup sihat, yang akan menjadikan ingatan kita lebih jelas dan tajam.

Akhir sekali, kita juga boleh mengembangkan keupayaan ingatan kita dengan sentiasa meluaskan ufuk kita dan mengambil bahagian dalam pelbagai perkara baharu. Sebagai contoh, kita boleh cuba mempelajari bahasa baharu dan mengambil bahagian dalam aktiviti sosial seperti melancong, dan pengalaman ini boleh mencipta lebih banyak kenangan dalam fikiran kita.

Ringkasnya, hubungan antara genetik manusia dan ingatan adalah kompleks dan pelbagai, dan sudah tentu, akan ada perbezaan yang sepadan berdasarkan perbezaan genetik peribadi. Tetapi kita tidak seharusnya mengabaikan perkara yang boleh kita lakukan: meningkatkan daya ingatan dan keupayaan pengurusan diri melalui pembelajaran berterusan, hidup sihat dan sentiasa mengembangkan ufuk kita adalah cara terbaik untuk kita mengatasi perbezaan genetik. Ia boleh dilihat bahawa kita perlu meningkatkan ingatan kita, dan Cistanche boleh meningkatkan daya ingatan dengan ketara kerana Cistanche adalah ubat tradisional Cina dengan banyak kesan unik, salah satunya adalah untuk meningkatkan daya ingatan. Keberkesanan Cistanche berasal dari pelbagai bahan aktifnya, termasuk asid tannic, polisakarida, glikosida flavonoid, dll. Bahan-bahan ini boleh menggalakkan kesihatan otak dalam pelbagai cara.

Klik Tahu untuk meningkatkan ingatan jangka pendek

Keupayaan untuk mengaitkan gen calon NDD kepada fenotip selular, seperti profil ekspresi RNA dan protein, perubahan morfologi, dan tandatangan biokimia dalam sel yang diperolehi hiPSC, memudahkan kajian menangani bagaimana komponen genetik manusia NDD kompleks, seperti AD dan PD, dinyatakan pada peringkat selular.

Selain itu, hiPSC membenarkan penggabungan kerumitan genetik latar belakang genetik pesakit dalam model, yang sering dinafikan (cth, model kimia) atau terlalu dipermudahkan (cth, model haiwan varian monogenetik).

Diakui dengan baik bahawa permulaan, perkembangan, dan keterukan neurodegenerasi ditentukan oleh faktor genetik yang kompleks dan interaksi beberapa varian genetik dengan kesan yang agak kecil.

Landskap genetik semula jadi ini yang ditangkap dalam model hiPSC yang diperolehi oleh pesakit membolehkan kami menyiasat penentu genetik dan faktor biologi, berpasangan dengan keupayaan untuk menghasilkan model NDD in vitro modular, ketelitian tinggi, untuk membina pemahaman semasa kami tentang biologi penyakit. Teknologi hiPSC kini mewakili satu-satunya manusia yang tersedia. model berasaskan di mana landskap genetik penuh pesakit ditangkap.

Juga, kemungkinan untuk menggunakan teknologi penyuntingan genom, seperti CRISPR-Cas9, menggunakan hiPSCs membolehkan penjanaan model isogenik untuk penilaian varian genetik yang tepat. Selain skalabiliti, hiPSC boleh diperbaharui sendiri.

Oleh itu, model yang diperolehi hiPSC membentangkan sistem yang menjanjikan untuk kajian praklinikal. Selain itu, kepelbagaian genetik manusia yang ditangkap dalam kapasiti hiPSC yang diperolehi oleh pesakit menjadikannya sesuai untuk penilaian pendekatan "perubatan peribadi".

Keupayaan untuk menyaring tindak balas individu secara berkesan terhadap rawatan dan untuk mengenal pasti bukan responden atau responden yang lemah sebelum pentadbiran dalam persekitaran klinikal menekankan lagi kesesuaian model yang diperolehi hiPSC untuk penilaian praklinikal (Rajah 2).

Secara kolektif, maklumat berpotensi yang dijana melalui kajian praklinikal dalam model hiPSC adalah teguh, subjek tohuman yang relevan, dan penting untuk dilaksanakan dalam reka bentuk ujian klinikal (cth, stratifikasi subjek kajian) untuk meningkatkan ketepatan keputusan.

Mengatasi Had Model Haiwan

hiPSC menawarkan cara untuk mengatasi banyak isu yang terdapat dalam model berasaskan haiwan semasa, seperti yang dibincangkan sebelum ini. Pertama, model terbitan iPS menyediakan platform berasaskan manusia untuk menilai terapeutik yang berpotensi dalam landskap genetik sebenar penyakit manusia.

Kedua, dengan mendapatkan sel daripada pesakit, banyak isu teknikal mengenai cara terbaik untuk memodelkan mutasi penyakit manusia dielakkan kerana model itu mengandungi latar belakang genetik unik pesakit. Ketiga, sel hiPSC mudah diakses untuk manipulasi genetik dan farmakologi, membolehkan ujian struktur dan fungsi daya pemprosesan tinggi yang menilai fenotip penyakit.

Untuk tujuan ini, kami baru-baru ini membangunkan model neuron DA terbitan hiPSC yang diperoleh daripada pesakit PD dengan triplikasi SNCA untuk menilai LV GT semua-dalam-satu yang bertujuan untuk mengurangkan tahap SNCA. Campur tangan LV kami berjaya mengurangkan tahap SNCA dan menyelamatkan fenotip berkaitan penyakit melalui penjanaan spesies oksidatif reaktif (ROS) dan pemeliharaan daya maju selular.140

Keempat, berbanding dengan model tikus standard, penjanaan model berasaskan hiPSC in vitro boleh dicapai dalam garis masa yang lebih pendek, dalam urutan 30 hari berbanding model haiwan yang boleh berkisar secara meluas dari bulan ke tahun.

Kelima, dan selaras dengan perkara sebelumnya, model berasaskan hiPSC jauh lebih murah dan memakan tenaga berbanding model tikus, terutamanya apabila mempertimbangkan kewajipan dan infrastruktur pengemasan haiwan yang berterusan, peraturan, serta keperluan latihan dan pematuhan. Pemodelan penyakit praklinikal ekonomi yang semakin meningkat meningkatkan kebolehcapaian untuk kumpulan penyelidikan untuk menilai terapeutik yang diduga meningkatkan kebolehterjemahan dan akhirnya meningkatkan kecekapan pembangunan DMT.202

Secara keseluruhannya, kelebihan ini memberikan model yang diperolehi PSC kelebihan tersendiri dalam kajian neurodegenerasi, dan model sedemikian berpotensi untuk menjana penemuan novel yang tidak boleh diakses dalam model kultur sel dan penyakit haiwan sebelumnya.

Kajian yang disemak di sini menunjukkan keperluan dan nilai penggabungan model berasaskan hiPSC 2D dan 3D dalam kajian mekanistik NDD yang menjelaskan faktor-faktor yang terlibat dalam penyebab penyakit dan laluan patogenik, serta dalam kajian translasi dan penemuan dadah, seperti pengenalpastian sasaran terapeutik dan pengesahan. .

Bersama-sama, model NDD terbitan hiPSC mewakili lonjakan ke hadapan dalam penyelidikan perubatan melalui pemodelan penyakit yang lebih baik yang boleh dilaksanakan, dengan eksperimen yang agak pendek yang menjimatkan kos dan mungkin yang paling penting, tepat dan sesuai untuk memodelkan penyakit manusia.

Rajah 2. Skema Talian Paip Pembangunan Dadah DMT yang Diperbaiki untuk NDD melalui Peningkatan Penggabungan dan/atau Penggantian Model Diperolehi hiPSC Pembangunan mana-mana DMT yang diduga bermula dengan fasa penemuan, yang merangkumi kedua-dua pengenalpastian sasaran gen yang berkaitan dan mekanisme penyakit.

Model penyakit seterusnya direka dalam fasa praklinikal awal untuk meneroka patofisiologi penyakit selular dan mengesahkan sasaran ubat, serta pemeriksaan awal dan pengoptimuman awal CGT-IP/DMT. Pembangunan progresif DMT, termasuk pembangunan model lanjut dan pengesahan sasaran, serta penyiasatan terhadap kesan luar sasaran, berlaku semasa fasa pertengahan praklinikal.

Apabila DMT berkembang, maklumat lanjut mengenai aktiviti farmakokinetik dan farmakodinamik diperoleh dalam fasa akhir praklinikal. Peningkatan penggunaan model terbitan hiPSC dalam fasa ini menunjukkan peningkatan yang menarik kepada saluran paip pembangunan ubat sedia ada untuk beberapa sebab; iaitu, ia adalah kos efektif, serba boleh, dan yang paling penting, mengatasi banyak batasan semula jadi model haiwan NDD yang sedia ada.

Pada peringkat ini, INDapplications boleh diserahkan untuk DMT yang diduga, yang pada masa ini mengandungi 4 objektif kritikal yang mesti dipenuhi dengan mana-mana DMT yang baru muncul, khususnya CGT-IP: (1) pemilihan sasaran, (2) pembangunan dan pengoptimuman kompaun utama, (3) permulaan dan peningkatan rejimen dos, dan (4) penubuhan kebolehlaksanaan dan ROA.

Setiap satu daripada ini boleh ditangani dengan tepat dan sesuai dengan penggantian model berasaskan hiPSC dalam kajian praklinikal. DMT kemudiannya boleh menerima kelulusan FDA untuk memulakan ujian klinikal.

Penggabungan model berasaskan hiPSC dalam fasa tambahan 1a mungkin disertakan, yang memudahkan penyaringan calon yang lebih baik dalam fasa pengambilan dan pengenalpastian potensi bukan responden atau responden yang lemah berdasarkan kajian genetik praklinikal.

DMT dengan keselamatan yang boleh ditunjukkan dalam fasa 1a kemudian maju melalui ujian klinikal fasa 1, 2, dan 3, selepas itu, mereka yang mempunyai kesan positif yang ketara menerima kelulusan kawal selia Permohonan Ubat Baharu (NDA) dan dikeluarkan untuk kegunaan pengguna dengan kewaspadaan farmakoterapi yang berterusan untuk mengenal pasti mana-mana yang tidak dikenal pasti sebelum ini. kesan buruk dari masa ke masa.

Had Masa dan Kebolehulangan Model In Vitro Diperolehi hiPSC

Teknologi pengkulturan hiPSC muncul sejak sedekad yang lalu, dan kegunaannya untuk pemodelan penyakit dan penilaian praklinikal DMT yang diputuskan adalah agak baru.

Seperti mana-mana teknologi baru muncul, beberapa batasan perlu dipertimbangkan apabila cuba mencipta semula ciri-ciri biologi NDD dengan tepat. Pertama sekali, penanaman hiPSC dan penjanaan model sel yang tepat dan boleh dipercayai boleh menjadi mahal, intensif buruh, dan memakan masa. Secara purata, kos $10,000 hingga USD 25,000 untuk mengesahkan talian hiPSC pada standard yang sesuai untuk penyelidikan perubatan.203

Proses pengaturcaraan semula, pembezaan dan kematangan adalah berpanjangan. Pengaturcaraan semula sel tisu pemula ke dalam hiPSC boleh mengambil masa sekurang-kurangnya 20 hingga 30 hari,151dan pembezaan dan kematangan selular seterusnya berbeza-beza bergantung pada jenis dan kaedah selular yang dikehendaki digunakan; Sebagai contoh, penjanaan neuron matang, astrosit dan mikrogliacan memerlukan antara 6 hingga 15 minggu,204 4 hingga 9 minggu,205,206atau 5 hingga 9 minggu,164,207.

Akibatnya, penyelidik sering lebih suka menggunakan sel progenitor sebagai perantara yang stabil untuk eksperimen, kerana ia secara umum mewakili jenis sel sasaran dan boleh dijana dalam jangka masa yang lebih cepat.204 Oleh itu, kekangan masa dan kos yang diperlukan untuk mewujudkan sistem model hiPSC mungkin memberikan kebimbangan kepada banyak kumpulan penyelidikan.

Di samping itu, masa yang diperlukan untuk pembangunan fenotip selular berkaitan penyakit utama dalam sel yang diperolehi hiPSC juga merupakan pertimbangan dalam pemodelan NDD. Walaupun ia mengambil masa beberapa dekad dalam hayat pesakit untuk menunjukkan simptom klinikal dan patologi, fenotip molekul berkaitan penyakit dalam model yang diperolehi hiPSC telah dikesan kira-kira 2 bulan selepas pematangan.208

Walau bagaimanapun, kekangan berpunca daripada jangka hayat terhad model berasaskan hiPSC inkultur yang mungkin tidak mencukupi untuk membangunkan gambaran lengkap yang menyerupai penyakit pada tahap selular dan tisu.

Strategi yang bertujuan untuk mempercepatkan proses pembezaan dan kematangan, seperti penggabungan perencat Notch dan g-secretase untuk memendekkan masa pematangan,209 dan neurogenin-2 (Ngn2) atau NeuroD1overexpression158 telah berjaya sebahagiannya dan memperkenalkan kebimbangan lain yang ditimbulkan daripada ekspresi ektopik.

Batasan lain adalah berkaitan dengan kebolehulangan sistem dalam eksperimen berulang dan kebolehubahan model-ke-model yang wujud, termasuk kemunduran mengenai kesucian budaya yang diperolehi hiPSC dan kehadiran populasi selular heterogen yang tidak diingini.210

Oleh itu, adalah penting untuk mengambil kira heterogeniti dalam populasi sel apabila menggunakan model penyakit yang diperolehi oleh hiPSC, terutamanya dalam pemeriksaan DMT dan penilaian keberkesanan. Selain itu, budaya hiPSC telah dilaporkan menunjukkan ketidakstabilan genomik dan terdedah kepada penyimpangan genetik dan mutasi semasa pengembangan dan pengaturcaraan semula selular.211

Penjagaan juga perlu diambil dalam penggunaan garis isogenik yang dihasilkan oleh pelbagai teknik penyuntingan genom, kerana potensi kesan luar sasaran boleh berlaku (cth, kebolehubahan klon yang tidak disengajakan merentas garisan isogenik dan mutagenesis luar sasaran).212,213 Oleh itu, adalah penting untuk menilai secara berkala. kestabilan genomik hiPSC untuk memastikan pemeriksaan DMT yang ketat.

Cabaran dalam Menyusun Semula Patofisiologi NDD Sporadik dan Fenotip Sel

Kerumitan NDD dan kekurangan pencirian komprehensif dan pemahaman mekanistik tentang fenotip selular mereka menimbulkan cabaran dalam keupayaan untuk menyusun semula mereka dengan model selular, termasuk sistem berasaskan hiPSC.

Punca NDD adalah kompleks dan pelbagai faktor, termasuk faktor risiko poligenik (iaitu, pelbagai gen dan varian), tanda epigenetik, penuaan, jantina dan faktor persekitaran, seperti pencetus tekanan oksidatif, beberapa daripadanya sukar untuk didorong, khususnya dalam senarai pelbagai gabungan, dalam sistem makmal.

Tambahan pula, majoriti model AD-PD yang diperolehi hiPSC diperoleh daripada pesakit dengan mutasi keluarga yang mewakili hanya sebahagian kecil daripada keseluruhan kes.214,215 Memandangkan mekanisme yang menyokong bentuk kekeluargaan berbanding sporadis mungkin berbeza, terdapat keperluan untuk mewujudkan model yang diperoleh daripada hiPSCsand fibroblas yang diperoleh daripada pesakit sAD atau PD sporadis.

Ke arah matlamat ini, inisiatif repositori sel pesakit telah muncul beberapa tahun kebelakangan ini; ini termasuk 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) , Institut Kebangsaan Gangguan Neurologi dan Strok (NINDS), Institut Sains Perubatan Am Negara (NIGMS), dan Institut Penyelidikan WiCell (WiCell) (Jadual S2).

Jangkaan pertumbuhan koleksi ini akan memudahkan penubuhan model terbitan hiPSC yang lebih sesuai untuk penyelidikan sAD biasa dan PD sporadis.

Walau bagaimanapun, model hiPSC yang diperoleh daripada pesakit NDD sporadis menghasilkan ciri fenotip selular yang sesuai bagi AD181 danPD216 apabila manipulasi alam sekitar, seperti pendedahan kepada neurotoksin dan induksi kimia tekanan oksidatif.

Juga, kajian baru-baru ini mendedahkan perubahan dalam ekspresi protein mitokondria dan tekanan oksidatif yang meningkat dalam hiPSC yang dihasilkan daripada pesakit sAD, walaupun kekurangan patologi Ab dan tau yang ketara, 217 menunjukkan bahawa model hiPSC mungkin mendedahkan wawasan berharga tentang patofisiologi bernuansa khusus untuk subtipe NDD sporadis.

Tambahan pula, kajian terbaru oleh Meyer et al.218 menggunakan hiPSC yang diperolehi daripada pesakit sAD dan mendapati MAPT, pengekodan protein tau, telah meningkat dengan ketara dalam sel yang diperolehi sAD berbanding dengan kawalan sihat.

Oleh itu, walaupun terdapat cabaran-cabaran ini, model semasa yang diperolehi oleh hiPSC adalah pengganti yang sangat baik yang memberi peluang untuk meniru patofisiologi penyakit dan mewujudkan ciri-ciri penyakit standard emas dengan asas genetik penuh dalam pesakit sporadis, yang boleh dimanfaatkan sebagai langkah-langkah hasil untuk memperbaiki model penyakit berikutnya.

For more information:1950477648nn@gmail.com