Jalan Menuju Kemajuan Studi Praklinis Penyakit Neurodegeneratif Terkait Usia: Perspektif Pada Model Hewan Pengerat dan Turunan HiPSC Bagian 5

Keuntungan Sistem Seluler dan Model Penyakit Berasal hiPSC

Peningkatan Platform Pemodelan Penyakit dan Penemuan Obat

Potensi model in vitro berbasis hiPSC menjadi sangat informatif untuk NDD dengan penyelidikan komponen genetik manusia sangatlah tinggi.

Hubungan antara genetika manusia dan ingatan adalah isu yang banyak dibahas, terutama dalam masyarakat modern, di mana kita fokus pada pengembangan dan pembelajaran pribadi. Meskipun informasi genetik kita menentukan karakteristik dasar kita saat lahir, ingatan berbeda dari karakteristik tetap seperti tinggi badan dan warna kulit. Sebaliknya, dapat dipupuk dan ditingkatkan, serta berperan penting dalam kehidupan sehari-hari.

Pertama-tama, penelitian ilmiah menunjukkan bahwa ingatan tidak berhubungan langsung dengan gen genetik. Meskipun beberapa orang dilahirkan lebih pintar dari yang lain, dalam jangka panjang, daya ingat dapat ditingkatkan secara bertahap melalui pembelajaran dan budidaya. Dalam proses pembelajaran kita dari sekolah dasar hingga universitas, kita perlu terus-menerus menggunakan dan meningkatkan daya ingat kita untuk meningkatkan prestasi akademik kita. Misalnya, kita mengingat masalah dan solusinya melalui tinjauan dan latihan berulang-ulang, yang membantu melatih kemampuan ingatan kita.

Kedua, gaya hidup sehat juga banyak membantu daya ingat kita. Kesehatan fisik mempunyai pengaruh dan pengaruh yang besar terhadap daya ingat, seperti tidur yang cukup, pola makan yang sehat, dan olahraga ringan. Kita mulai dari tubuh kita sendiri dan tetap sehat melalui olahraga dan pola hidup sehat, yang akan membuat ingatan kita lebih jernih dan tajam.

Terakhir, kita juga bisa memperluas kemampuan ingatan kita dengan terus memperluas wawasan dan mengikuti berbagai hal baru. Misalnya, kita dapat mencoba mempelajari bahasa baru dan berpartisipasi dalam aktivitas sosial seperti jalan-jalan, dan pengalaman ini dapat menciptakan lebih banyak kenangan di benak kita.

Singkatnya, hubungan antara genetika manusia dan ingatan itu kompleks dan beragam, dan tentu saja, akan ada perbedaan yang sesuai berdasarkan perbedaan genetik pribadi. Namun kita tidak boleh mengabaikan apa yang bisa kita lakukan: meningkatkan daya ingat dan kemampuan manajemen diri melalui pembelajaran terus-menerus, hidup sehat, dan terus memperluas wawasan adalah cara terbaik bagi kita untuk mengatasi perbedaan genetik. Terlihat bahwa kita perlu meningkatkan daya ingat, dan Cistanche dapat meningkatkan daya ingat secara signifikan karena Cistanche merupakan pengobatan tradisional Tiongkok yang memiliki banyak efek unik, salah satunya adalah meningkatkan daya ingat. Khasiat Cistanche berasal dari berbagai bahan aktifnya, antara lain asam tanat, polisakarida, glikosida flavonoid, dll. Bahan-bahan tersebut dapat meningkatkan kesehatan otak dalam berbagai cara.

Klik Tahu untuk meningkatkan memori jangka pendek

Kemampuan untuk mengkorelasikan gen kandidat NDD dengan fenotipe seluler, seperti profil ekspresi RNA dan protein, perubahan morfologi, dan tanda biokimia dalam sel turunan hiPSC, memfasilitasi penelitian yang membahas bagaimana komponen genetik manusia dari NDD kompleks, seperti AD dan PD, diekspresikan pada tingkat seluler.

Selain itu, hiPSC memungkinkan penggabungan kompleksitas genetik dari latar belakang genetik pasien yang mendasarinya ke dalam model, yang sering kali dinegasikan (misalnya, model kimia) atau terlalu disederhanakan (misalnya, model hewan varian monogenetik).

Diakui dengan baik bahwa permulaan, perkembangan, dan tingkat keparahan degenerasi saraf ditentukan oleh faktor genetik yang kompleks dan interaksi beberapa varian genetik dengan efek yang relatif kecil.

Lanskap genetik bawaan yang ditangkap dalam model hiPSC yang diturunkan dari pasien memungkinkan kita untuk menyelidiki faktor penentu genetik dan faktor biologis, dipadukan dengan kemampuan untuk menghasilkan model NDD in vitro yang modular dan memiliki ketelitian tinggi, untuk membangun pemahaman kita saat ini tentang biologi penyakit. Teknologi hiPSC saat ini mewakili satu-satunya yang tersedia bagi manusia. model berbasis di mana lanskap genetik lengkap pasien ditangkap.

Selain itu, kemungkinan untuk menerapkan teknologi penyuntingan genom, seperti CRISPR-Cas9, menggunakan hiPSC memungkinkan pembuatan model isogenik untuk evaluasi varian genetik yang tepat. Selain skalabilitas, hiPSC juga dapat diperbarui secara mandiri.

Dengan demikian, model turunan hiPSC menghadirkan sistem terdepan yang menjanjikan untuk studi praklinis. Selain itu, keragaman genetik manusia yang terekam dalam kapasitas hiPSC yang diturunkan dari pasien menjadikannya cocok untuk evaluasi pendekatan "pengobatan yang dipersonalisasi".

Kemampuan untuk menyaring reaksi individu secara efektif terhadap pengobatan dan untuk mengidentifikasi non-responden atau responden yang buruk sebelum pemberian dalam kondisi klinis semakin menekankan kesesuaian model turunan hiPSC untuk penilaian praklinis (Gambar 2).

Secara kolektif, informasi potensial yang dihasilkan melalui studi praklinis dalam model hiPSC kuat, relevan dengan subjek manusia, dan penting untuk diterapkan dalam desain uji klinis (misalnya, stratifikasi subjek penelitian) untuk meningkatkan keakuratan hasil.

Mengatasi Batasan Model Hewan

hiPSC menawarkan cara untuk mengatasi banyak masalah yang ada dalam model berbasis hewan saat ini, seperti yang telah dibahas sebelumnya. Pertama, model turunan iPS menyediakan platform berbasis manusia untuk mengevaluasi terapi potensial dalam lanskap genetik penyakit manusia yang sebenarnya.

Kedua, dengan mengambil sel dari pasien, banyak masalah teknis mengenai cara terbaik untuk memodelkan mutasi penyakit pada manusia dapat diatasi karena model tersebut berisi latar belakang genetik unik pasien. Ketiga, sel hiPSC mudah diakses untuk manipulasi genetik dan farmakologis, memungkinkan pengujian struktural dan fungsional dengan throughput tinggi yang menilai fenotip penyakit.

Untuk tujuan ini, kami baru-baru ini mengembangkan model neuron DA yang diturunkan dari hiPSC yang diperoleh dari pasien PD dengan rangkap tiga SNCA untuk menilai LV GT all-in-one yang bertujuan mengurangi level SNCA. Intervensi LV kami berhasil mengurangi tingkat SNCA dan menyelamatkan fenotip terkait penyakit melalui pembentukan spesies oksidatif reaktif (ROS) dan pelestarian viabilitas seluler.140

Keempat, dibandingkan dengan model hewan pengerat standar, pembuatan model berbasis hiPSC in vitro dapat dicapai dalam jangka waktu yang jauh lebih singkat, yaitu sekitar 30 hari dibandingkan dengan model hewan yang dapat berkisar dari bulan hingga tahun.

Kelima, dan sesuai dengan poin sebelumnya, model berbasis hiPSC jauh lebih murah dan memakan energi dibandingkan model hewan pengerat, terutama ketika mempertimbangkan kewajiban pemeliharaan hewan dan infrastruktur, peraturan, serta persyaratan pelatihan dan kepatuhan. Pemodelan penyakit praklinis yang semakin ekonomis meningkatkan aksesibilitas bagi kelompok penelitian untuk menilai terapi yang diduga meningkatkan kemampuan penerjemahan dan pada akhirnya meningkatkan efisiensi pengembangan DMT.202

Secara keseluruhan, keunggulan-keunggulan ini memberikan model turunan hiPSC keunggulan tersendiri dalam studi degenerasi saraf, dan model-model tersebut mempunyai potensi untuk menghasilkan penemuan-penemuan baru yang tidak dapat diakses dalam model kultur sel dan penyakit hewan sebelumnya.

Studi yang ditinjau di sini menunjukkan perlunya dan nilai penggabungan model berbasis hiPSC 2D dan 3D dalam studi mekanistik NDD yang menjelaskan faktor-faktor yang terlibat dalam penyebab penyakit dan jalur patogen, serta dalam studi translasi dan penemuan obat, seperti identifikasi dan validasi target terapi. .

Bersama-sama, model NDD yang diturunkan dari hiPSC mewakili lompatan maju dalam penelitian medis melalui peningkatan pemodelan penyakit yang sangat layak, dengan eksperimen yang relatif lebih singkat dan hemat biaya dan mungkin yang paling penting, akurat dan cocok untuk memodelkan penyakit manusia.

Gambar 2. Skema Peningkatan Jalur Pengembangan Obat DMT untuk NDD melalui Peningkatan Penggabungan dan/atau Substitusi Model Turunan hiPSC Pengembangan DMT yang diduga dimulai dengan fase penemuan, yang mencakup identifikasi target gen terkait dan mekanisme penyakit.

Model penyakit selanjutnya dirancang pada fase praklinis awal untuk mengeksplorasi patofisiologi penyakit seluler dan memvalidasi target obat, serta skrining dini dan optimalisasi CGT-IPs/DMTs awal. Perkembangan DMT yang progresif, termasuk pengembangan model lebih lanjut dan validasi target, serta penyelidikan terhadap efek di luar target, terjadi pada pertengahan fase praklinis.

Seiring berkembangnya DMT, informasi lebih lanjut mengenai aktivitas farmakokinetik dan farmakodinamik diperoleh pada fase praklinis akhir. Meningkatnya penggunaan model turunan hiPSC pada fase ini menunjukkan peningkatan yang menarik terhadap jalur pengembangan obat yang ada karena beberapa alasan; yaitu, mereka hemat biaya, serbaguna, dan yang paling penting, mengatasi banyak keterbatasan bawaan model hewan NDD yang ada.

Pada tahap ini, permohonan IND dapat diajukan untuk DMT yang diduga, yang saat ini berisi 4 tujuan penting yang harus dipenuhi dengan DMT yang muncul, khususnya CGT-IP: (1) pemilihan target, (2) pengembangan dan optimalisasi senyawa utama, (3) awal dan meningkatkan regimen dosis, dan (4) penetapan kelayakan dan ROA.

Masing-masing masalah ini dapat diatasi secara akurat dan tepat dengan substitusi model berbasis hiPSC dalam studi praklinis. DMT kemudian dapat menerima persetujuan FDA untuk memulai uji klinis.

Penggabungan model berbasis hiPSC dalam fase 1a tambahan dapat dimasukkan, yang memfasilitasi peningkatan penyaringan kandidat dalam fase perekrutan dan identifikasi calon non-responden atau responden miskin berdasarkan studi genetik praklinis.

DMT dengan keamanan yang dapat dibuktikan pada fase 1a kemudian dilanjutkan melalui uji klinis fase 1, 2, dan 3, setelah itu, DMT yang memiliki efek positif signifikan menerima persetujuan peraturan Aplikasi Obat Baru (NDA) dan dilepaskan untuk digunakan konsumen dengan kewaspadaan farmasi berkelanjutan untuk mengidentifikasi obat yang sebelumnya tidak teridentifikasi. hasil yang merugikan dari waktu ke waktu.

Keterbatasan Model In Vitro Turunan hiPSCWaktu dan Reproduksibilitas

Teknologi budidaya hiPSC muncul selama dekade terakhir, dan kegunaannya untuk pemodelan penyakit dan penilaian praklinis DMT yang diduga relatif baru.

Seperti halnya teknologi baru lainnya, beberapa keterbatasan perlu dipertimbangkan ketika mencoba menciptakan kembali karakteristik biologis NDD secara akurat. Pertama dan terpenting, pengembangan hiPSC dan pembuatan model sel yang akurat dan andal bisa memakan biaya mahal, padat karya, dan memakan waktu. Rata-rata, biayanya$10,000 hingga USD 25,000 untuk memvalidasi jalur hiPSC dengan standar yang sesuai untuk penelitian medis.203

Proses pemrograman ulang, diferensiasi, dan pematangan memakan waktu lama. Pemrograman ulang seluler jaringan starter menjadi hiPSC dapat memakan waktu setidaknya 20 hingga 30 hari,151 dan diferensiasi serta maturasi seluler selanjutnya bervariasi tergantung pada jenis seluler yang diinginkan dan metode yang digunakan; misalnya, pembentukan neuron matang, astrosit, dan mikroglia masing-masing memerlukan waktu antara 6 hingga 15 minggu,204 4 hingga 9 minggu,205,206atau 5 hingga 9 minggu,164,207.

Akibatnya, para peneliti sering kali lebih memilih penggunaan sel progenitor sebagai perantara yang stabil untuk eksperimen, karena sel tersebut secara luas mewakili tipe sel target dan dapat dihasilkan dalam jangka waktu yang lebih cepat.204 Oleh karena itu, batasan waktu dan biaya yang diperlukan untuk membangun sistem model hiPSC mungkin menimbulkan kekhawatiran bagi banyak kelompok penelitian.

Selain itu, waktu yang diperlukan untuk pengembangan fenotip seluler terkait penyakit dalam sel turunan hiPSC juga menjadi pertimbangan dalam pemodelan NDD. Meskipun dibutuhkan waktu puluhan tahun dalam hidup pasien untuk menunjukkan gejala klinis dan patologis, fenotip molekuler terkait penyakit dalam model turunan hiPSC terdeteksi sekitar 2 bulan setelah maturasi.208

Meskipun demikian, kendalanya berasal dari terbatasnya umur model kultur berbasis hiPSC yang mungkin tidak cukup untuk mengembangkan gambaran lengkap yang menyerupai penyakit pada tingkat seluler dan jaringan.

Strategi yang bertujuan untuk mempercepat proses diferensiasi dan maturasi, seperti penggabungan Notch dan inhibitor g-sekretase untuk mempersingkat waktu maturasi,209 dan ekspresi berlebih neurogenin-2 (Ngn2) atau NeuroD1158 telah berhasil sebagian dan menimbulkan kekhawatiran lain yang timbul dari ekspresi ektopik.

Keterbatasan lainnya terkait dengan kemampuan reproduksi sistem dalam percobaan berulang dan variabilitas model-ke-model yang melekat, termasuk kemunduran terkait kemurnian kultur turunan hiPSC dan adanya populasi seluler heterogen yang tidak diinginkan.210

Oleh karena itu, penting untuk memperhitungkan heterogenitas populasi sel ketika menggunakan model penyakit yang diturunkan dari hiPSC, khususnya dalam skrining DMT dan penilaian kemanjuran. Selain itu, kultur hiPSC telah dilaporkan menunjukkan ketidakstabilan genom dan rentan mengalami penyimpangan dan mutasi genetik selama ekspansi seluler dan pemrograman ulang.211

Kehati-hatian juga perlu diberikan dalam penggunaan galur isogenik yang dihasilkan oleh berbagai teknik penyuntingan genom, karena potensi efek di luar target dapat terjadi (misalnya, variabilitas klon yang tidak diinginkan pada galur isogenik dan mutagenesis di luar target).212,213 Oleh karena itu, penting untuk melakukan evaluasi secara berkala stabilitas genom hiPSC untuk memastikan skrining DMT yang ketat.

Tantangan dalam Merekapitulasi Patofisiologi NDD Sporadis dan Fenotipe Seluler

Kompleksitas NDD dan kurangnya karakterisasi komprehensif serta pemahaman mekanistik terhadap fenotip selulernya menimbulkan tantangan dalam kemampuan merekapitulasinya dengan model seluler, termasuk sistem berbasis hiPSC.

Penyebab NDD bersifat kompleks dan multifaktorial, termasuk faktor risiko poligenik (yaitu multigen dan varian), tanda epigenetik, penuaan, jenis kelamin, dan faktor lingkungan, seperti pemicu stres oksidatif, yang beberapa di antaranya sulit untuk diinduksi, khususnya dalam daftar berbagai faktor yang tak ada habisnya. kombinasi, dalam sistem laboratorium.

Selain itu, sebagian besar model AD-PD yang diturunkan dari hiPSC berasal dari pasien dengan mutasi keluarga yang hanya mewakili sebagian kecil dari keseluruhan kasus.214,215 Karena mekanisme yang mendasari bentuk keluarga dan sporadis mungkin berbeda, maka ada kebutuhan untuk membuat model yang berasal dari AD-PD yang diturunkan dari hiPSC. hiPSCs dan fibroblas diperoleh dari pasien sAD atau PD sporadis.

Untuk mencapai tujuan ini, inisiatif penyimpanan sel pasien telah muncul dalam beberapa tahun terakhir; ini termasuk Applied StemCell (ASC), California Institute for Regenerative Medicine (CiRA), Inti Sel Punca Pluripoten Terinduksi Cedars Sinai, Bank Eropa untuk Sel Punca Pluripoten Terinduksi (EBiSC), Bank Sel Punca Nasional Korea (KSCB), NationalInstitute of Aging (NIA) , Institut Nasional Gangguan Neurologis dan Stroke (NINDS), Institut Nasional Ilmu Kedokteran Umum (NIGMS), dan Institut Penelitian WiCell (WiCell) (Tabel S2).

Pertumbuhan yang diharapkan dari koleksi ini akan memfasilitasi pembentukan model turunan hiPSC yang lebih cocok untuk penelitian penyakit sAD umum dan PD sporadis.

Meskipun demikian, model hiPSC yang berasal dari pasien NDD sporadis menghasilkan karakteristik fenotip seluler AD181 dan PD216 yang sesuai berdasarkan manipulasi lingkungan, seperti paparan neurotoksin dan induksi kimiawi dari stres oksidatif.

Selain itu, penelitian baru-baru ini mengungkapkan perubahan dalam ekspresi protein mitokondria dan peningkatan stres oksidatif pada hiPSC yang dihasilkan dari pasien sAD, meskipun terdapat kekurangan patologi Ab dan tau,217 menunjukkan bahwa model hiPSC dapat mengungkap wawasan berharga mengenai nuansa patofisiologi khusus untuk subtipe NDD sporadis.

Selain itu, penelitian terbaru yang dilakukan oleh Meyer et al.218 menggunakan hiPSC yang berasal dari pasien sAD dan menemukan bahwa MAPT, yang mengkode protein tau, meningkat secara signifikan pada sel yang berasal dari sAD dibandingkan dengan kontrol yang sehat.

Oleh karena itu, meskipun terdapat tantangan-tantangan ini, model-model yang diturunkan dari hiPSC saat ini merupakan pengganti yang sangat baik yang memberikan kesempatan untuk meniru patofisiologi penyakit dan menetapkan karakteristik penyakit standar emas dengan landasan genetik penuh pada pasien-pasien sporadis, yang dapat dimanfaatkan sebagai ukuran hasil untuk meningkatkan model penyakit berikutnya.

For more information:1950477648nn@gmail.com