الطريق إلى التقدم في الدراسات ما قبل السريرية للأمراض التنكسية العصبية المرتبطة بالعمر: منظور حول القوارض والنماذج المشتقة من HiPSC الجزء 5
Jul 10, 2024
مزايا الأنظمة الخلوية المشتقة من hiPSC ونماذج الأمراض
تحسين نمذجة الأمراض ومنصات اكتشاف الأدوية
إن احتمالية أن تكون النماذج المختبرية المستندة إلى hiPSC مفيدة للغاية بالنسبة لـ NDDs مع التحقيق في المكونات الوراثية البشرية عالية.
العلاقة بين علم الوراثة البشرية والذاكرة هي قضية نوقشت كثيرًا، خاصة في المجتمع الحديث، حيث نركز على التنمية الشخصية والتعلم. على الرغم من أن معلوماتنا الجينية تحدد خصائصنا الأساسية عند الولادة، إلا أن الذاكرة تختلف عن الخصائص الثابتة مثل طولنا ولون بشرتنا. وبدلاً من ذلك، يمكن زراعتها وتحسينها، وهي تلعب دورًا مهمًا في الحياة اليومية.
بداية، تظهر الأبحاث العلمية أن الذاكرة لا ترتبط بشكل مباشر بالجينات الجينية. على الرغم من أن بعض الأشخاص يولدون أكثر ذكاءً من غيرهم، إلا أنه على المدى الطويل، يمكن تحسين الذاكرة تدريجيًا من خلال التعلم والتدريب. في عملية التعلم لدينا من المدرسة الابتدائية إلى الجامعة، نحتاج إلى استخدام ذاكرتنا وتحسينها باستمرار لتحسين أدائنا الأكاديمي. على سبيل المثال، نتذكر المشكلات وحلولها من خلال المراجعة والممارسة المتكررة، مما يساعد على تمرين قدرة الذاكرة لدينا.
ثانيًا، يساعد نمط الحياة الصحي أيضًا ذاكرتنا كثيرًا. للصحة البدنية تأثير وتأثير كبير على الذاكرة، مثل النوم الكافي، واتباع نظام غذائي صحي، وممارسة التمارين الرياضية المعتدلة. نبدأ بجسدنا ونحافظ على صحتنا من خلال ممارسة الرياضة واتباع أسلوب حياة صحي، الأمر الذي سيجعل ذاكرتنا أكثر وضوحًا وحدة.
وأخيرًا، يمكننا أيضًا توسيع قدرة ذاكرتنا من خلال توسيع آفاقنا باستمرار والمشاركة في أشياء جديدة مختلفة. على سبيل المثال، يمكننا أن نحاول تعلم لغة جديدة والمشاركة في الأنشطة الاجتماعية مثل السفر، ويمكن لهذه التجارب أن تخلق المزيد من الذكريات في أذهاننا.
باختصار، العلاقة بين الوراثة البشرية والذاكرة معقدة ومتنوعة، وبالطبع ستكون هناك اختلافات مقابلة بناءً على الاختلافات الجينية الشخصية. ولكن لا ينبغي لنا أن نتجاهل ما يمكننا القيام به: إن تحسين ذاكرتنا وقدرتنا على إدارة الذات من خلال التعلم المستمر والحياة الصحية وتوسيع آفاقنا باستمرار هو أفضل وسيلة لنا للتغلب على الاختلافات الجينية. يمكن ملاحظة أننا بحاجة إلى تحسين ذاكرتنا، ويمكن لـ Cistanche تحسين الذاكرة بشكل كبير لأن Cistanche هو دواء صيني تقليدي له العديد من التأثيرات الفريدة، أحدها هو تحسين الذاكرة. تأتي فعالية Cistanche من مكوناته النشطة المختلفة، بما في ذلك حمض التانيك، والسكريات، وجليكوسيدات الفلافونويد، وما إلى ذلك. ويمكن لهذه المكونات تعزيز صحة الدماغ بعدة طرق.
انقر فوق "معرفة" لتحسين الذاكرة قصيرة المدى
إن القدرة على ربط الجينات المرشحة لـ NDD بالأنماط الخلوية، مثل RNA وملامح تعبير البروتين، والتغيرات المورفولوجية، والتوقيعات الكيميائية الحيوية في الخلايا المشتقة من hiPSC، تسهل الدراسات التي تتناول كيفية التعبير عن المكونات الوراثية البشرية لـ NDDs المعقدة، مثل AD وPD، على المستوى الخلوي.
علاوة على ذلك، تسمح الخلايا hiPSCs بدمج التعقيد الوراثي للخلفيات الوراثية للمريض في النموذج، والذي غالبًا ما يتم إبطاله (على سبيل المثال، النماذج الكيميائية) أو المبالغة في تبسيطه (على سبيل المثال، النماذج الحيوانية المتغيرة أحادية المنشأ).
من المعترف به جيدًا أن بداية التنكس العصبي وتطوره وشدته يتم تحديدها من خلال عوامل وراثية معقدة والتفاعل بين العديد من المتغيرات الجينية ذات التأثيرات البسيطة نسبيًا.
يسمح لنا هذا المشهد الوراثي الفطري الذي تم التقاطه في نماذج hiPSC المشتقة من المريض بالتحقيق في المحددات الجينية والعوامل البيولوجية، المقترنة بالقدرة على توليد نماذج NDD معيارية وعالية الدقة في المختبر، للبناء على فهمنا الحالي لبيولوجيا الأمراض. تمثل تقنية hiPSC حاليًا التقنية البشرية الوحيدة المتاحة النماذج القائمة على التقاط المشهد الوراثي الكامل للمرضى.
كما أن إمكانية تطبيق تقنيات تحرير الجينوم، مثل CRISPR-Cas9، باستخدام hiPSCs، مكنت من توليد نماذج متساوية المنشأ لتقييم المتغيرات الجينية الدقيقة. بالإضافة إلى قابلية التوسع، فإن hiPSCs قابلة للتجديد ذاتيًا.
وهكذا، فإن النماذج المشتقة من hiPSC تمثل نظامًا واعدًا في طليعة الدراسات قبل السريرية. علاوة على ذلك، فإن التنوع الوراثي البشري الذي تم التقاطه في قدرة hiPSC المشتقة من المريض يجعلها مناسبة لتقييم مناهج "الطب الشخصي".
إن القدرة على فحص التفاعلات الفردية بشكل فعال للعلاجات وتحديد غير المراسلين أو المستجيبين الفقراء قبل تناوله في بيئة سريرية تؤكد أيضًا على مدى ملاءمة النماذج المشتقة من hiPSC للتقييمات قبل السريرية (الشكل 2).
بشكل جماعي، تعتبر المعلومات المحتملة التي تم إنشاؤها من خلال الدراسات قبل السريرية في نماذج hiPSC قوية، وذات صلة بالموضوعات البشرية، وضرورية للتنفيذ في تصميم التجارب السريرية (على سبيل المثال، التقسيم الطبقي لموضوعات الدراسة) لتحسين دقة النتائج.
التغلب على حدود النماذج الحيوانية
توفر hiPSCs طريقة للتغلب على العديد من المشكلات الموجودة في النماذج الحالية المعتمدة على الحيوانات، كما تمت مناقشته مسبقًا. أولاً، توفر النماذج المشتقة من iPS منصة قائمة على الإنسان لتقييم العلاجات المحتملة في المشهد الجيني الفعلي للمرض الذي يصيب الإنسان.
ثانيًا، من خلال استخلاص الخلايا من المرضى، يتم التحايل على العديد من المشكلات التقنية المتعلقة بأفضل طريقة لنمذجة طفرات الأمراض البشرية، لأن النموذج يحتوي على الخلفية الجينية الفريدة للمريض. ثالثًا، يمكن الوصول بسهولة إلى خلايا hiPSC للتلاعب الجيني والدوائي، مما يتيح إجراء فحوصات هيكلية ووظيفية عالية الإنتاجية لتقييم النمط الظاهري للمرض.
ولتحقيق هذه الغاية، قمنا مؤخرًا بتطوير نموذج عصبي DA مشتق من hiPSC تم الحصول عليه من مريض PD مع تكرار SNCA لتقييم LV GT الكل في واحد يهدف إلى تقليل مستويات SNCA. نجح تدخلنا في الجهد المنخفض في خفض مستويات SNCA وإنقاذ الأنماط الظاهرية المرتبطة بالأمراض من خلال توليد الأنواع المؤكسدة التفاعلية (ROS) والحفاظ على الحيوية الخلوية.
رابعا، بالمقارنة مع نموذج القوارض القياسي، يمكن تحقيق توليد النماذج المستندة إلى hiPSC في المختبر في جدول زمني أقصر بكثير، في حدود 30 يوما بدلا من النماذج الحيوانية التي يمكن أن تتراوح على نطاق واسع من أشهر إلى سنوات.
خامسًا، وتماشيًا مع النقطة السابقة، تعد النماذج المستندة إلى hiPSC أقل تكلفة واستهلاكًا للطاقة إلى حد كبير من نماذج القوارض، خاصة عند النظر في التزامات التدبير المنزلي المستمرة للحيوانات والبنية التحتية واللوائح، فضلاً عن متطلبات التدريب والامتثال. تعمل نمذجة الأمراض قبل السريرية الاقتصادية بشكل متزايد على زيادة إمكانية الوصول للمجموعات البحثية لتقييم العلاجات المفترضة وتحسين قابلية الترجمة وتحسين كفاءة تطوير DMT في نهاية المطاف.
وإجمالاً، تمنح هذه المزايا النماذج المشتقة من hiPSC ميزة واضحة في دراسة التنكس العصبي، وهذه النماذج لديها القدرة على توليد اكتشافات جديدة لم يكن من الممكن الوصول إليها في نماذج زراعة الخلايا والأمراض الحيوانية السابقة.
توضح الدراسات التي تمت مراجعتها هنا ضرورة وقيمة دمج النماذج المستندة إلى hiPSC ثنائية وثلاثية الأبعاد في الدراسات الآلية NDD التي توضح العوامل المرتبطة بالتسبب في المرض والمسارات المسببة للأمراض، وكذلك في الدراسات الانتقالية واكتشاف الأدوية، مثل تحديد أهداف العلاج والتحقق من صحتها. .
معًا، تمثل نماذج NDD المشتقة من hiPSC قفزة إلى الأمام في البحوث الطبية من خلال نمذجة الأمراض المحسنة التي تعتبر ممكنة إلى حد كبير، مع تجارب أقصر نسبيًا وفعالة من حيث التكلفة، وربما الأهم من ذلك، دقيقة ومناسبة لنمذجة الأمراض البشرية.
الشكل 2. رسم تخطيطي لخط أنابيب تطوير أدوية DMT المحسّن لـ NDDs من خلال زيادة دمج و/أو استبدال النماذج المشتقة من hiPSC يبدأ تطوير أي DMT مفترض بمرحلة الاكتشاف، والتي تشمل تحديد أهداف الجينات ذات الصلة وآليات المرض.
تم تصميم نماذج المرض اللاحقة في المرحلة قبل السريرية المبكرة لاستكشاف الفيزيولوجيا المرضية للأمراض الخلوية والتحقق من صحة أهداف الدواء، بالإضافة إلى الفحص المبكر وتحسين CGT-IPs/DMTs المبكر. يحدث التطوير التدريجي لـ DMTs، بما في ذلك تطوير النموذج الإضافي والتحقق من صحة الهدف، بالإضافة إلى التحقيق في التأثيرات غير المستهدفة، خلال المرحلة ما قبل السريرية المتوسطة.
مع تقدم DMT، يتم الحصول على مزيد من المعلومات المتعلقة بالنشاط الدوائي والديناميكي الدوائي في المرحلة ما قبل السريرية المتأخرة. ويمثل الاستخدام المتزايد للنماذج المشتقة من hiPSC في هذه المراحل تحسنا جذابا لخط تطوير الأدوية الحالي لعدة أسباب؛ وهي فعالة من حيث التكلفة، ومتعددة الاستخدامات، والأهم من ذلك، التغلب على العديد من القيود الفطرية للنماذج الحيوانية الموجودة في NDDs.
في هذه المرحلة، قد يتم تقديم تطبيقات IND لـ DMTs المفترضة، والتي تحتوي حاليًا على 4 أهداف حاسمة يجب تحقيقها مع أي DMT ناشئ، وخاصة CGT-IPs: (1) اختيار الأهداف، (2) تطوير مركب الرصاص وتحسينه، (3) الأولي ونظام الجرعات المتصاعدة، و(4) إنشاء الجدوى والعائد على الاستثمار.
يمكن معالجة كل واحدة منها بدقة وبشكل مناسب من خلال استبدال النماذج المستندة إلى hiPSC في الدراسات قبل السريرية. قد تحصل DMTs بعد ذلك على موافقة إدارة الغذاء والدواء (FDA) لبدء التجارب السريرية.
قد يتم تضمين دمج النماذج المستندة إلى hiPSC في المرحلة الإضافية 1 أ، مما يسهل تحسين فحص المرشحين في مرحلة التوظيف وتحديد غير المستجيبين المحتملين أو المستجيبين الفقراء بناءً على الدراسات الجينية قبل السريرية.
ثم تتقدم أدوات DMT التي تتمتع بسلامة يمكن إثباتها في المرحلة 1 أ خلال المراحل 1 و2 و3 من التجارب السريرية، وبعد ذلك، يحصل الأشخاص الذين لديهم تأثير إيجابي كبير على الموافقة التنظيمية لتطبيق الدواء الجديد (NDA) ويتم إصدارهم لاستخدام المستهلك مع استمرار التيقظ الدوائي لتحديد أي أدوية غير محددة مسبقًا. النتائج السلبية مع مرور الوقت.
القيود المفروضة على النماذج المشتقة من hiPSC في المختبر، والوقت وإمكانية تكرار نتائج
ظهرت تقنيات زراعة hiPSCs على مدى العقد الماضي، وفائدتها لنمذجة الأمراض والتقييم قبل السريري لـ DMTs المفترضة جديدة نسبيًا.
كما هو الحال مع أي تكنولوجيا ناشئة، هناك العديد من القيود التي يجب أخذها في الاعتبار عند محاولة إعادة إنشاء الخصائص البيولوجية لـ NDDs بدقة. أولا وقبل كل شيء، يمكن أن تكون زراعة hiPSCs وتوليد نماذج خلايا دقيقة وموثوقة مكلفة، وكثيفة العمالة، وتستغرق وقتا طويلا. في المتوسط، يكلف الأمر 10 دولارات،000 إلى 25 دولارًا أمريكيًا،000 للتحقق من صحة خطوط hiPSC عند مستوى مناسب للأبحاث الطبية.203
تطول عمليات إعادة البرمجة والتمايز والنضج. يمكن أن تستغرق إعادة البرمجة الخلوية للأنسجة البادئة إلى خلايا hiPSCs ما لا يقل عن 20 إلى 30 يومًا،151ويختلف التمايز والنضج الخلوي اللاحق اعتمادًا على النوع الخلوي المطلوب والطريقة المستخدمة؛ على سبيل المثال، يتطلب توليد الخلايا العصبية الناضجة والخلايا النجمية والدبقيات الصغيرة من 6 إلى 15 أسبوعًا،204 4 إلى 9 أسابيع،205,206أو 5 إلى 9 أسابيع,164,207 على التوالي.
ونتيجة لذلك، يفضل الباحثون في كثير من الأحيان استخدام الخلايا السلفية كوسيط مستقر للتجريب، لأنها تمثل على نطاق واسع نوع الخلية المستهدفة ويمكن توليدها في إطار زمني أسرع.204 وبالتالي، فإن القيود الزمنية والتكاليف اللازمة لإنشاء نظام نموذج hiPSC قد تشكل مصدر قلق للعديد من المجموعات البحثية.
بالإضافة إلى ذلك، فإن الوقت اللازم لتطوير الأنماط الخلوية الرئيسية المرتبطة بالأمراض في الخلايا المشتقة من hiPSC هو أيضًا أحد الاعتبارات في نمذجة NDDs. في حين أن ظهور الأعراض السريرية والمرضية يستغرق عقودًا من حياة المريض، فقد تم اكتشاف الأنماط الجزيئية المرتبطة بالمرض في النماذج المشتقة من hiPSC بعد حوالي شهرين من النضج.
ومع ذلك، فإن القيود تنبع من العمر المحدود للنماذج المستندة إلى hiPSC في الثقافة والتي قد لا تكون كافية لتطوير صورة كاملة تشبه المرض على المستويات الخلوية والأنسجة.
الاستراتيجيات التي تهدف إلى تسريع عملية التمايز والنضج، مثل دمج مثبطات Notch وg-secretase لتقصير وقت النضج، 209 والنيروجينين -2 (Ngn2) أو NeuroD1 overexpression 158 كانت ناجحة جزئيًا وأدخلت مخاوف أخرى أثيرت من التعبير خارج الرحم.
ترتبط القيود الأخرى باستنساخ الأنظمة في التجارب المتكررة والتباين المتأصل من نموذج إلى نموذج، بما في ذلك النكسات المتعلقة بنقاء الثقافات المشتقة من hiPSC ووجود مجموعات خلوية غير متجانسة غير مرغوب فيها.
وبالتالي، من المهم مراعاة عدم التجانس في مجموعات الخلايا عند استخدام نماذج المرض المشتقة من hiPSC، وخاصة فحص inDMT وتقييم الفعالية. علاوة على ذلك، تم الإبلاغ عن أن ثقافات hiPSC تظهر عدم استقرار جينومي وتكون عرضة لاكتساب الانحرافات والطفرات الجينية أثناء التوسع الخلوي وإعادة البرمجة.
يجب أيضًا توخي الحذر عند استخدام الخطوط المتجانسة الناتجة عن تقنيات تحرير الجينوم المختلفة، حيث يمكن أن تحدث تأثيرات محتملة خارج الهدف (على سبيل المثال، التباين النسيلي غير المقصود عبر الخطوط المتجانسة والطفرات خارج الهدف).212،213 لذلك، من المهم إجراء تقييم دوري الاستقرار الجيني للـ hiPSCs لضمان فحص DMT الصارم.
التحديات في تلخيص الفيزيولوجيا المرضية NDD المتفرقة والأنماط الخلوية
إن تعقيد NDDs والافتقار إلى التوصيف الشامل والفهم الآلي لأنماطها الظاهرية الخلوية يشكل تحديات في القدرة على تلخيصها باستخدام النماذج الخلوية، بما في ذلك الأنظمة المستندة إلى hiPSC.
أسباب NDDs معقدة ومتعددة العوامل، بما في ذلك عوامل الخطر المتعددة الجينات (أي الجينات المتعددة والمتغيرات)، وعلامات الوراثة اللاجينية، والشيخوخة، والجنس، والعوامل البيئية، مثل محفزات الإجهاد التأكسدي، والتي يصعب تحفيز بعضها، وتحديدًا في قائمة لا حصر لها من العوامل المختلفة. مجموعات، في نظام المختبر.
علاوة على ذلك، فإن غالبية نماذج AD-PD المشتقة من hiPSC مستمدة من مرضى يعانون من طفرات عائلية لا تمثل سوى نسبة صغيرة جدًا من إجمالي الحالات. hiPSCs والخلايا الليفية التي تم الحصول عليها من مرضى PD أو متفرقة.
ولتحقيق هذا الهدف، ظهرت مبادرات مستودعات خلايا المرضى في السنوات الأخيرة؛ وتشمل هذه الخلايا الجذعية التطبيقية (ASC)، ومعهد كاليفورنيا للطب التجديدي (CiRA)، والخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات في سيدار سيناء، والبنك الأوروبي للخلايا الجذعية المحفزة المحفزة (EBiSC)، والبنك الوطني الكوري للخلايا الجذعية (KSCB)، والمعهد الوطني للشيخوخة (NIA). والمعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية (NINDS)، والمعهد الوطني للعلوم الطبية العامة (NIGMS)، ومعهد أبحاث WiCell (WiCell) (الجدول S2).
إن النمو المتوقع لهذه المجموعات سوف يسهل إنشاء نماذج مشتقة من hiPSC أكثر ملاءمة للبحث عن sAD المشترك و PD المتفرقة.
ومع ذلك، فإن نماذج hiPSC المستمدة من مرضى NDD المتفرقة تنتج أنماطًا ظاهرية خلوية مناسبة مميزة لـ AD181 وPD216 عند التلاعب البيئي، مثل التعرض للسموم العصبية والحث الكيميائي للإجهاد التأكسدي.
أيضًا، كشفت دراسة حديثة عن تغيرات في تعبير بروتين الميتوكوندريا وارتفاع الإجهاد التأكسدي في hiPSCs الناتج عن مرضى الحزن، على الرغم من النقص الملحوظ في أمراض Ab وtau، مما يشير إلى أن نماذج hiPSC قد تكشف عن رؤية قيمة في الفيزيولوجيا المرضية الدقيقة الخاصة بأنواع NDD الفرعية المتفرقة.
علاوة على ذلك، استخدمت دراسة حديثة أجراها ماير وآخرون 218 الخلايا المشتقة من مرضى sAD، ووجدت أن MAPT، الذي يشفر بروتين تاو، قد زاد بشكل ملحوظ في الخلايا المشتقة من sAD مقارنة بالضوابط السليمة.
وهكذا، على الرغم من هذه التحديات، فإن النماذج الحالية المشتقة من hiPSC هي بدائل ممتازة توفر الفرصة لتقليد الفيزيولوجيا المرضية للمرض وإنشاء خصائص المرض القياسية الذهبية مع الأسس الجينية الكاملة في المرضى المتفرقة، والتي يمكن تسخيرها كتدابير نتائج لتحسين نماذج المرض اللاحقة.
For more information:1950477648nn@gmail.com
