De weg naar vooruitgang in preklinisch onderzoek naar leeftijdsgebonden neurodegeneratieve ziekten: een perspectief op knaagdier- en HiPSC-afgeleide modellen, deel 6

Modellering van veroudering "in een gerecht"

Het induceren van leeftijdsgebonden morfologische en functionele cellulaire handtekeningen. Terwijl het modelleren van neurologische ontwikkelingsstoornissen (bijvoorbeeld spinale musculaire atrofie, primaire herpes simplex encefalitis) met hiPSC succesvol is geweest, is het veel moeilijker om nauwkeurig de ziektefenotypes van leeftijdsgebonden NDD's, zoals AD en PD, nauwkeurig te recapituleren.

Encefalitis is een veel voorkomende ziekte die de menselijke hersenen aantast en in ernstige gevallen zelfs tot de dood kan leiden. Encefalitis kan extreem negatieve effecten hebben op veel systemen in het menselijk lichaam, zoals het zenuwstelsel en de luchtwegen. De impact op het geheugen is echter bidirectioneel.

Encefalitis kan het geheugen van het menselijk lichaam aantasten. Sommige patiënten verliezen veel geheugen als de aandoening ernstig is. Dit komt omdat encefalitis schade aan het menselijk brein veroorzaakt, wat resulteert in problemen met de overdracht en ontvangst van signalen. Dit kan geheugenproblemen op de korte en lange termijn veroorzaken, die afhankelijk zijn van de omvang van de hersenbeschadiging.

Tijdens de behandeling van encefalitis zal het geheugen van het menselijk lichaam zich echter langzaam herstellen. Dit komt omdat artsen tijdens het behandelingsproces patiënten een aantal speciale medicijnen zullen geven om geleidelijk de gezondheid van de zenuwcellen te herstellen, waardoor het geheugen van het menselijk lichaam wordt verbeterd.

Dit herinnert ons er ook aan dat het voor sommige mensen die vatbaar zijn voor encefalitis ook erg belangrijk is om het immuunsysteem te ontspannen en te versterken, wat hen kan helpen het gevaar van encefalitis te vermijden. Neem bijvoorbeeld deel aan gezondere activiteiten, vermijd langdurig opblijven en eet voedzamer voedsel.

Kortom, hoewel encefalitis het geheugen van het menselijk lichaam zal aantasten, zal dit effect worden verlicht naarmate de behandeling vordert. Door de ziekte op de juiste manier onder ogen te zien, een gezonde levensstijl te handhaven en deze actief te behandelen, kunnen we een positiever leven leiden, het leven meer koesteren en elke dag gelukkig doorbrengen. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren. Cistanche kan het geheugen aanzienlijk verbeteren omdat het ook de balans van neurotransmitters kan reguleren, zoals het verhogen van de niveaus van acetylcholine en groeifactoren, die erg belangrijk zijn voor het geheugen en het leren. Bovendien kan Cistanche ook de bloedstroom verbeteren en de zuurstoftoevoer bevorderen, wat ervoor kan zorgen dat de hersenen voldoende voeding en energie krijgen, waardoor de vitaliteit en het uithoudingsvermogen van de hersenen worden verbeterd.

Klik op supplementen kennen om het geheugen te vergroten

De herprogrammering van somatische cellen om hiPSC’s te genereren wist de kenmerken van de moleculaire leeftijd van de donorcellen en brengt ze terug naar de ontwikkelingsstadia van de foetus. deze beperking, waaronder ectopische overexpressie van aan veroudering gerelateerde eiwitten, zoals progerine,221 veroorzaakte kunstmatige verkorting van telomeren,222 en blootstelling aan verschillende toxines die mitochondriale disfunctie en oxidatieve stress veroorzaken.223,224 Een andere strategie om veroudering te induceren is ontwikkeld door het ChibaFalek-lab144 en maakt gebruik van meerdere passages van de NPC's om de natuurlijke verouderingsprocessen te imiteren.

Deze strategie vertegenwoordigt een aantrekkelijk alternatief in vergelijking met eerdere hierboven beschreven methoden, omdat het de potentiële kunstmatige fenotypes vermindert, een gevolg van blootstelling aan toxines of ectopische expressie, en is gebaseerd op een natuurlijker proces om veroudering te induceren in cellulaire modellen van NDD's. "Directe conversie" van Van somatische cellen naar neuronale modellen.

Als alternatief werden methoden ontwikkeld die bekend staan ​​als "afstamming/directe conversie" of "transdifferentiatie" om de donorleeftijd te behouden en de "verouderde" moleculaire handtekeningen te behouden.

Deze aanpak is gebaseerd op de directe herprogrammering van menselijke somatische cellen, zoals fibroblasten, tot neuronen door het aanbieden van verschillende cellijnspecifieke transcriptiefactoren zonder een tussenliggend de-differentiatiestadium in hiPSC's.225-227 Een voorbeeld is het genereren van door DA geïnduceerde neuronen (iNs) rechtstreeks afkomstig van embryonale fibroblasten van muizen228 en menselijke astrocyten229 als een middel om een ​​geschikter modelsysteem te produceren om leeftijdsgebonden menselijke neurodegeneratie te bestuderen.

Deze methoden maken het inderdaad mogelijk de verouderingseffecten op het genoom te behouden. Uiteindelijk moeten richtlijnen worden overwogen voor het aanpakken van de biologische en technische beperkingen die verband houden met hiPSC-werk, met name verschillen tussen hiPSC-donoren, authenticatie van de afgeleide cultuurzuiverheid en genetische stabiliteit. om te controleren op variabiliteit in hiPSC-afgeleide modellen en om robuuste resultaten en een hoge mate van reproduceerbaarheid te garanderen.

Toekomstige richtingen in hiPSC-toepassingen in de context van NDDsPersonalized Medicine and Drug Screening

AD en PD vertonen een hoge variabiliteit en heterogeniteit in symptomen; deze pathologieën kunnen dus elk een groep subtypeziekten vertegenwoordigen.230,231 is een kritische overweging bij het ontwerp van klinische onderzoeken bij het doorvoeren van vermeende DMT's door de pijplijn voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.

Kondo et al.232 toonden aan dat hiPSCs afgeleid van fAD- en sAD-patiënten een verschillende geneesmiddelrespons vertoonden op behandeling met docosahexaeenzuur (DHA), een medicijn dat eerder faalde in klinische AD-onderzoeken.

Deze gegevens zijn indicatief voor verschillende subtypes van AD die verschillende klinische reacties op de behandeling vertonen. Er is dus een noodzaak om de studiedeelnemers te stratificeren om een ​​voordeel te behalen in klinische onderzoeken, wat impliceert dat verschillende therapieën die in klinische onderzoeken hebben gefaald, nog steeds het potentieel kunnen hebben om effectief te zijn bij bepaalde gedefinieerde subtypes van AD.

De verbetering van de huidige preklinische modellen zal een nauwkeurige beoordeling van bestaande en nieuwe geneesmiddelen mogelijk maken door betere uitkomstmaten en/of geschikte patiëntenpopulaties te definiëren.

Kondo et al.232 demonstreerden verder het nut van van hiPSC afgeleide AD-modellen voor high-throughput screening van een panel van vermeende therapeutische verbindingen met behulp van eerder vastgestelde ziektefenotypes als uitkomstmaten, namelijk het vermogen om de Ab42:Ab40-verhouding in neuronen afgeleid van 13 neuronen te verminderen. HiPSC-lijnen voor AD-patiënten.

Zes loodverbindingen waren in staat neuronale Ab42:Ab40 aanzienlijk te verminderen; een van de verbindingen die een ‘cocktail’ van cromolyn, topiramaat en bromocriptine bevatten, redde echter alleen dit ziektefenotype in hiPSC-neuronen afkomstig van fAD-patiënten.232 De genetische gevoeligheid van patiënten voor verschillende omgevingsfactoren is ook onderzocht in van hiPSC afgeleide PD-modellen. omgekeerd, waarbij GT174,233 proof-of-concept-validatie biedt voor een gepersonaliseerde benadering van therapeutische interventie.

Over het geheel genomen kan de verdere ontwikkeling van hiPSC-technologie onderzoekers uiteindelijk in staat stellen patiënten te stratificeren op basis van specifieke genetische achtergronden van risicofactoren om de verschillende reacties van genetische subpopulaties op de behandeling te beoordelen.

Regeneratieve benaderingen van neurodegeneratie

Het vermogen van hersenneuronen om te regenereren als reactie op letsel is minimaal; Omdat de neurogenese bij volwassenen beperkt blijft tot een select aantal hersengebieden en bij ziekten die worden gekenmerkt door chronische neurodegeneratie, zoals AD en PD, zijn de daaruit voortvloeiende cognitieve en gedragsstoornissen onomkeerbaar.

De meest opwindende mogelijkheden die voortkomen uit de hiPSC-technologie zijn de weefselmanipulatiestrategieën die gericht zijn op het regenereren van verloren neuronaal weefsel door de transplantatie van hiPSC's.

Deze revolutionaire therapeutische strategieën maken gebruik van het vermogen van hiPSC om te worden gedifferentieerd in meerdere subklassen van neurale en gliale cellen. Terwijl het concept van transplantatie van hiPSC's om weefselregeneratie te stimuleren zich nog in een vroeg stadium bevindt, is het een zich snel ontwikkelend veld, en recent bewijsmateriaal heeft aangetoond dat transplantatie van hiPSC en ESC’s kunnen gunstig zijn voor meerdere ziekten, waaronder leeftijdsgebonden maculaire degeneratie234,235 en ruggenmergletsel.236

Wat hier relevanter is, is dat een recent klinisch onderzoek, uitgevoerd door Song et al.,237 waarbij autologe, van hiPSC afgeleide DA-neuronen in Parkinson-patiënten werden getransplanteerd, voor het eerst de motorische tekorten effectief heeft hersteld. Deze baanbrekende studie levert het bewijs dat dergelijke op hiPSC gebaseerde transplantatietechnieken het perfecte platform bieden voor succesvolle regeneratieve therapie bij NDD's.

Niettemin is het belangrijk om te erkennen dat hiPSC-transplantatie gepaard gaat met verschillende uitdagingen, waaronder het risico op tumorigeniciteit en afstoting van het transplantaat door de patiënt.238,239 Om dit obstakel te verzachten, wordt momenteel een verscheidenheid aan immuunontwijkende strategieën ontwikkeld om immuunafstoting te overwinnen.240,241

Gecombineerd met hun zelfregeneratieve eigenschappen bezitten hiPSC's veel zeer wenselijke kenmerken voor gepersonaliseerde regeneratieve geneeskunde en maken ze hen tot een ideale kandidaat voor op regeneratie gebaseerde therapieën bij aandoeningen van het centrale zenuwstelsel.242-245 De transplantatie van hiPSC's opent therapeutische strategieën om niet alleen het herstel van verloren weefsel aan te pakken. maar ook de noodzaak van een DMT door gebruik te maken van genetisch gecorrigeerde cellen.

Afgeleid van patiënten kunnen hiPSC's in vitro een genmodificerende behandeling ondergaan, bijvoorbeeld met behulp van CRISPR-Cas9-technologie, voor gerichte correctie van het gemuteerde gen.

Vervolgens konden de genetisch gecorrigeerde cellen bij de klinische patiënt worden vervangen. Dergelijke DNA-modificerende constructen zouden idealiter episomaal blijven en zichzelf inactiveren tegen de tijd dat het weefsel naar de patiënt wordt getransplanteerd om de kans op off-target-effecten te verkleinen.

Een routekaart voor de indiening van nieuwe onderzoeksproducten (IP's) voor de behandeling van PD en AD

Overzicht van de huidige ontwikkelingspijplijn voor IP's

De preklinische onderzoeken naar nieuwe PD- en AD-therapieën zijn belangrijk in de ontwikkelingspijplijn van IP's. De doelstellingen van een alomvattend preklinisch programma voor cellulaire therapie en GT IP's (CGTIP's) omvatten het volgende: (1) het vaststellen van biologische plausibiliteit (doelselectie); (2) identificatie van biologisch actieve dosisniveaus (ontwikkeling en optimalisatie van leidende verbindingen); (3) selectie van het potentiële startdosisniveau, het dosisescalatieschema en het doseringsregime voor klinische onderzoeken; en (4) vaststelling van de haalbaarheid en redelijke veiligheid van de door CGT-IP voorgestelde klinische toedieningsroute (ROA).

Deze stappen zijn cruciaal bij de voorbereiding van de producten voor de aanvraag voor Investigational New Drug (IND) en de indiening van een Biologics License Application (BLA). (1) lage targetbetrokkenheid en werkzaamheid en (4) een onbevredigend veiligheidsprofiel behoren tot de meest voorkomende redenen voor het falen van de CGT-IP's voor PD- en AD-therapieën (Figuur 2).

Bovendien geeft een recente retrospectieve beoordeling van de vertraagde of geweigerde goedkeuring van nieuwe medische instellingen door de FDA tussen 2000 en 2012 aan dat een niet-alomvattende formulering van de beoogde werkzaamheid en bepaling van het geneesmiddelveiligheidsprofiel belangrijke factoren zijn die ten grondslag liggen aan het mislukken van geneesmiddelenontwikkelingsprogramma’s voor NDD’s. inclusief AD en PD.246

Deze studie gaf ook aanleiding tot bezorgdheid over de tamelijk lage vertaalbaarheid bij de overgang van preklinische onderzoeken op dieren naar klinische onderzoeken bij mensen. Het is belangrijk op te merken dat de FDA zich terdege bewust is van deze tekortkomingen. De FDA heeft onlangs richtlijnen opgesteld die aanbevelen om het gebruik van dieren voor IP-validaties tot een minimum te beperken. In de context van een lage soortspecifieke compatibiliteit van het klinische product staat de FDA bijvoorbeeld het testen toe van alternatieve validatiesystemen met aangetoonde analoge en geschikte kenmerken.

De opkomst van van AD- en Parkinson-patiënten afkomstige hiPSC's en de gerelateerde platforms die in deze review worden geschetst, zouden een dergelijk alternatief experimenteel systeem kunnen bieden voor het ontwikkelen van vermeende CGT-IP's. Immunofenotypering, morfologische evaluatie, vroege toxicologische gegevens, farmacokinetiek en farmacodynamiek van het IP kunnen voldoen aan de FDA-vereiste voor het vaststellen van de biologische relevantie van het product.

Bovendien zouden hiPSC's, met het gebruik van in vitro onderzoeken, vooral gunstig zijn voor de identificatie van potentiële veiligheidsproblemen en het werkingsmechanisme (MOA) van experimentele CGT-IP's. Deze overwegingen sluiten goed aan bij de FDA-richtlijnen die de integratie van de principes van de ‘3V’s’ aanbevelen, om testmethodeprotocollen te cultiveren die het verminderen, verfijnen en vervangen van diergebruik aanmoedigen, als vervolg op de toepasselijke bepalingen van de Animal Welfare Act Amendments of 1976 (7 USC2131 e.v.).

Het concept van het vervangen van diermodi ondersteunt het nut van in vitro modelleringsprogramma's voor AD en Parkinson. De geschiktheid van deze inspanningen zou breder moeten worden overwogen bij de beoordeling van het eventuele ‘herverschuivingseffect’ op het vermogen van het preklinische testprogramma om de noodzakelijke gegevens te verschaffen over de veiligheid en activiteit van het CGT-IP-product.

De discussie hierboven suggereert de mogelijkheid om een ​​vroeg portfolio te genereren van het therapeutische programma voor vooruitgang van de IND, waarbij voornamelijk gebruik wordt gemaakt van in vitro testen en validatie, met name in de context van preklinische testen, evenals van een fase 1a-controlepunt voor klinische onderzoeken (Figuur 2). Bovendien zouden geavanceerde analyses, waaronder dosisbeperkende veiligheids- en toxiciteitsbeoordelingen, mogelijk, althans gedeeltelijk, kunnen steunen op in vitro metingen.

Deze nieuwe klinisch relevante veiligheids-, farmacokinetische, farmacodynamische, verdraagbaarheids- en biomarkergegevens zouden vervolgens als basis dienen voor daaropvolgende klinische beslissingen met betrekking tot nieuwe IP's. Het uitvoeren van noodzakelijke dierstudies om eventuele openstaande problemen aan te pakken mag dus pas worden overwogen nadat de ontwikkeling van een CGT-IP-product is overgegaan naar een preklinische studie in een latere fase.

Als er bijvoorbeeld veranderingen in de productie/formulering optreden, zodat de vergelijkbaarheid van het CGT-product in de latere fase met het product dat in de vroege fase wordt gebruikt (in vitro getest) onzeker is, kunnen aanvullende in vivo preklinische onderzoeken nodig zijn om de twee producten te overbruggen. Dergelijke overbruggingsstudies maken het mogelijk dat gegevens die met het product in de vroege fase worden verzameld, de ontwikkeling in de latere fase of de licentieverlening ondersteunen.

Daarom stellen wij voor dat vóór de start van de definitieve preklinische onderzoeken bij dieren, in vitro onderzoeken moeten worden uitgevoerd voor de identificatie van potentiële veiligheidsproblemen en MOA van een experimenteel CGT-IP-product (Figuur 2).

Dat gezegd hebbende, stellen wij voor om de in vitro onderzoeken aan te vullen met beoordelingen van een reeks fysiologische en functionele fenotypes van het product na in vivo toediening. De beoordelingen zullen specifiek de verbetering testen van standaard ziektefenotypes die zijn vastgelegd in op hiPSC gebaseerde ziektemodellen, zoals eerder aangetoond.140,174,193,233

Dienovereenkomstig moet het preklinische testprogramma een stapsgewijze, multifactoriële aanpak omvatten om inzicht te krijgen in de biologische plausibiliteit van het gebruik van het experimentele CGT-product bij de beoogde AD- en Parkinson-patiëntenpopulaties. Om het proces van het certificeren van een GT-product voor indiening door de IND te ontleden, adviseren wij om in de vroegste stappen van de productontwikkeling contact op te nemen met de FDA, via een pre-pre-IND-mechanisme, wat een niet-bindende, informele discussie is tussen beoordelaars van de afdeling Farmacologie/Toxicologie. Tak van de organisatie en de onderzoeker.

Het advies van het Center for Biologics Evaluation and Research (CBER)/Office of Cellular, Tissue and Gene Therapies (OCTGT) zou uiterst waardevol zijn om in overweging te nemen bij het opstellen van definitieve protocollen voor definitieve preklinische onderzoeken, evenals bij het voorbereiden van verschillende delen van het briefingdocument voor de pre-IND-bijeenkomst.

De diersoort die wordt geselecteerd voor de beoordeling van de bioactiviteit en veiligheid moet een biologische respons op het CGT-onderzoeksproduct vertonen, vergelijkbaar met die welke bij mensen wordt verwacht, om gegevens te genereren die als leidraad kunnen dienen voor het ontwerp van klinische onderzoeken.

Overwegingen bij het bepalen van de relevante soort zijn onder meer de volgende: (1) vergelijkbaarheid van fysiologie en anatomie met die van mensen; (2) tolerantie/gevoeligheid voor infectie door en replicatie van virale vectoren of microbiële vectoren voor GT; (3) immuuntolerantie voor een menselijk CGT-product of menselijk transgen dat tot expressie wordt gebracht door een GT-product; en (4) haalbaarheid van het gebruik van het geplande klinische toedieningssysteem/procedure.

Afsluitende opmerkingen

Het streven naar klinisch effectieve DMT's voor leeftijdsgebonden NDD's, zoals AD en PD, is ondanks meer dan 40 jaar onderzoek op aanzienlijke mislukkingen uitgelopen. Meerdere factoren zijn verantwoordelijk voor de afwezigheid van AD- en PD-DMT's, en inadequate preklinische ziektemodellen vormen een belangrijke beperking.

Niettemin kunnen klinische onderzoeken met vermeende DMT-kandidaten niet worden stopgezet in afwachting van het ‘perfecte’ NDD-model. De huidige IND-regelgeving zou het huidige en toekomstige onderzoek naar NDD-behandelingen mogelijk kunnen belemmeren door te veel te vertrouwen op gegevens die zijn gegenereerd op basis van inadequate diermodellen, waardoor de voortgang in de richting van het bereiken van een DMT verder wordt vertraagd.

Met de opkomst van van patiënten afkomstige hiPSC's betrad het vakgebied een nieuw tijdperk in NDD-onderzoek, waardoor preklinisch onderzoek mogelijk werd in de context van de genetische achtergrond van elke patiënt, wat van cruciaal belang is bij de ontwikkeling van DMT's voor complexe genetische ziekten. In combinatie met nieuwe technieken voor het bewerken en afleveren van genen vertegenwoordigen hiPSC's een opkomende en veelbelovende preklinische toolkit die ziektemodellering en de ontdekking van geneesmiddelen mogelijk maakt.

Conclusie: hoewel het nut van knaagdiermodellen waardevol is in verschillende aspecten van preklinische evaluatie, zoals de beoordeling van veiligheidsprofilering, systemische bioactiviteit en functionele uitkomsten, moeten we (1) de voordelen erkennen van NDD-modellen gegenereerd op basis van hiPSCs en hun nut beschouwen als een complementair platform voor het evalueren van de therapeutische werkzaamheid in preklinische studies, (2) werken aan het verbeteren van de huidige dier- en celgebaseerde modellen - en aangepaste modellen die toepasbaar zullen zijn voor de evaluatie van precisiegeneeskundige therapieën, en (3) het definiëren van de meetbare behandelingsresultaten van de therapeutische interventie en dienovereenkomstig , selecteer het meest geschikte modelsysteem(en).

AANVULLENDE INFORMATIE

Aanvullende informatie is online te vinden ophttps://doi.org/10.1016/j.ymthe.2021.01.001.

REFERENTIES

1. Prince, M., Wimo, A., Guerchet, M., Ali, G.-C., Wu, Y.-T., en Prina, M. (2015).World Alzheimer Report 2015 The Global Impact of Dementie Een analyse van de prevalentie, incidentie, kosten en trends (Alzheimer's Disease International).

2. Murray, CJL, Vos, T., en Lopez, A.; GBD 2015 Ziekte- en letselincidentie en -prevalentiemedewerkers (2016). Mondiale, regionale en nationale incidentie, prevalentie en jaren met invaliditeit voor 310 ziekten en verwondingen, 1990-2015: een systematische analyse voor de Global Burden of Disease Study 2015. Lancet 388, 1545–1602.

3. Qiu, C., Kivipelto, M., en von Strauss, E. (2009). Epidemiologie van de ziekte van Alzheimer: voorkomen, determinanten en strategieën voor interventie. Dialogen Clin.Neurosci. 11, 111–128.

4. Levy, G. (2007). De relatie van de ziekte van Parkinson met veroudering. Boog. Neurol. 64,1242–1246.

5. Hebert, LE, Weuve, J., Scherr, PA, en Evans, DA (2013). De ziekte van Alzheimer in de Verenigde Staten (2010-2050) werd geschat op basis van de volkstelling van 2010. Neurologie 80, 1778–1783.

6. Alzheimervereniging (2020). Feiten en cijfers over de ziekte van Alzheimer 2020. Alzheimer-dementie. 16, 391–460.

7. Wimo, A., Guerchet, M., Ali, GC, Wu, YT, Prina, AM, Winblad, B., Jönsson, L., Liu, Z., en Prince, M. (2017). De wereldwijde kosten van dementie 2015 en vergelijkingen met 2010. Alzheimer-dementie. 13, 1–7.

8. Cummings, JL, Morstorf, T., en Zhong, K. (2014). Pijplijn voor de ontwikkeling van geneesmiddelen voor de ziekte van Alzheimer: weinig kandidaten, frequente mislukkingen. Alzheimer Res. Daar. 6, 37.

9. Dong, J., Cui, Y., Li, S., en Le, W. (2016). Huidige farmaceutische behandelingen en alternatieve therapieën voor de ziekte van Parkinson. Huidig Neuropharmacol. 14, 339-355.

10. Stoker, TB (2018). Ziekte van Parkinson: pathogenese en klinische aspecten., JCGreenland, ed. (Codon-publicaties). https://doi.org/10.15586/codonpublications. Ziekte van Parkinson.2018.

11. Hung, SY, en Fu, WM (2017). Kandidaten voor geneesmiddelen in klinische onderzoeken voor de ziekte van Alzheimer. J. Biomed. Wetenschap 24, 47.

12. Lang, AE, en Espay, AJ (2018). Ziektemodificatie bij de ziekte van Parkinson: huidige benaderingen, uitdagingen en toekomstige overwegingen. ma. Wanorde. 33.660–677.

For more information:1950477648nn@gmail.com