Vägen till framsteg i prekliniska studier av åldersrelaterade neurodegenerativa sjukdomar: ett perspektiv på gnagare och HiPSC-härledda modeller del 6

Modellera åldrande "i en skål"

Inducerar åldersrelaterade morfologiska och funktionella cellulära signaturer. Medan modellering av neuro-utvecklingsstörningar (t.ex. spinalmuskulär atrofi, primär herpes simplex encefalit) med hiPSC har varit framgångsrik, är det mycket svårare att exakt recapitulera sjukdomsfenotyper av åldersrelaterade NDD, såsom AD och PD.

Encefalit är en vanlig sjukdom som påverkar den mänskliga hjärnan och kan till och med leda till döden i svåra fall. Encefalit kan ha extremt negativa effekter på många system i människokroppen, såsom nervsystemet och andningsorganen. Men inverkan på minnet är dubbelriktad.

Encefalit kan påverka människokroppens minne. Vissa patienter förlorar mycket minne när tillståndet är allvarligt. Detta beror på att hjärninflammation orsakar skador på den mänskliga hjärnan, vilket resulterar i problem med överföring och mottagning av signaler. Detta kan orsaka korttids- och långtidsminnesproblem, som beror på omfattningen av hjärnskadan.

Men under behandlingen av encefalit kommer människokroppens minne långsamt att återhämta sig. Detta beror på att läkare under behandlingsprocessen kommer att förse patienter med några speciella läkemedel för att gradvis återställa nervcellernas hälsa och därigenom förbättra människokroppens minne.

Detta är också en påminnelse om att för vissa personer som är benägna att drabbas av hjärninflammation är det också mycket viktigt att slappna av och stärka immunförsvaret, vilket kan hjälpa dem att hålla sig borta från faran med hjärninflammation. Delta till exempel i mer hälsosamma aktiviteter, undvik att vara uppe länge och ät mer näringsrik mat.

Kort sagt, även om hjärninflammation kommer att påverka människokroppens minne, kommer denna effekt att lindras när behandlingen fortskrider. Att möta sjukdomen på rätt sätt, upprätthålla en hälsosam livsstil och aktivt behandla den kan få oss att leva ett mer positivt liv, låta oss vårda livet mer och spendera varje dag lyckligt. Det kan ses att vi behöver förbättra minnet. Cistanche kan förbättra minnet avsevärt eftersom det också kan reglera balansen mellan signalsubstanser, som att öka nivåerna av acetylkolin och tillväxtfaktorer, som är mycket viktiga för minne och inlärning. Dessutom kan Cistanche också förbättra blodflödet och främja syretillförseln, vilket kan säkerställa att hjärnan får tillräckligt med näring och energi, och därigenom förbättra hjärnans vitalitet och uthållighet.

Klicka på vet kosttillskott för att öka minnet

Omprogrammeringen av somatiska celler för att generera hiPSC:er raderar donatorcellernas molekylära ålderssignaturer och återställer dem till fosterutvecklingsstadier. denna begränsning, inklusive ektopiskt överuttryck av åldrande-relaterade proteiner, såsom progerin,221 inducerad artificiell förkortning av telomerer,222 och exponering för olika toxiner som orsakar mitokondriell dysfunktion och oxidativ stress.223,224En annan strategi för att framkalla åldrande har utvecklats av ChibaFalek och anställer. multipel passage av NPC:erna för att imitera de naturliga åldringsprocesserna.

Denna strategi representerar ett attraktivt alternativ jämfört med tidigare metoder som beskrivits ovan, eftersom den minskar de potentiella artificiella fenotyperna, en konsekvens av toxinexponering eller ektopiskt uttryck, och är baserad på en mer naturlig process för att inducera åldrande i cellulära modeller av NDDs."Direkt konvertering" av Somatiska celler till neuronala modeller.

Alternativt utvecklades metoder kända som "härstamning/direkt omvandling" eller "transdifferentiering" för att behålla donatoråldern och bevara de "åldrade" molekylära signaturerna.

Detta tillvägagångssätt är baserat på direkt omprogrammering av mänskliga somatiska celler, såsom fibroblaster, till neuroner genom tillhandahållande av olika cellinjespecifika transkriptionsfaktorer utan ett mellanliggande de-differentieringssteg till hiPSCs.225–227 Ett exempel är genereringen av DA-inducerad neuroner (iNs) direkt från mus embryonala fibroblaster228 och mänskliga astrocyter229 som ett sätt att producera ett mer lämpligt modellsystem för att studera åldersrelaterad mänsklig neurodegeneration.

I själva verket tillåter dessa metoder bevarandet av åldrande effekter på genomet. I slutändan bör riktlinjer för att ta itu med de biologiska och tekniska begränsningarna relaterade till hiPSC-arbete, särskilt skillnader mellan hiPSC-donatorer, autentisering av den härledda kulturens renhet och genetisk stabilitet, övervägas att kontrollera för variabilitet i hiPSC-härledda modeller och för att säkerställa robusta resultat och en hög grad av reproducerbarhet.

Framtida anvisningar i hiPSC-tillämpningar i samband med NDD:er Personlig medicin och drogscreening

AD och PD uppvisar hög variabilitet och heterogenitet i symtom; sålunda kan dessa patologier var och en representera en grupp av subtypsjukdomar.

Kondo et al.232 visade att hiPSCs härrörande från fAD- och sAD-patienter uppvisade olika läkemedelskänslighet för behandling med docosahexaensyra (DHA), ett läkemedel som tidigare misslyckats i kliniska AD-studier.

Dessa data indikerar olika subtyper av AD som har olika kliniska svar på behandlingen. Det finns således ett behov av att stratifiera studiedeltagarna för att uppnå en fördel i kliniska prövningar, vilket innebär att flera terapier som misslyckats i kliniska prövningar fortfarande kan ha potential att vara effektiva i vissa definierade subtyper av AD.

Förbättringen av de nuvarande prekliniska modellerna kommer att underlätta korrekt bedömning av befintliga och nya läkemedel genom att definiera bättre resultatmått och/eller lämpliga patientpopulationer.

Kondo et al.232 visade vidare användbarheten av hiPSC-härledda AD-modeller för screening med hög genomströmning av en panel av förmodade terapeutiska föreningar med användning av tidigare etablerade sjukdomsfenotyper som resultatmått, nämligen förmågan att minska Ab42:Ab40-förhållandet i neuroner härledda från 13 AD patient hiPSC linjer.

Sex blyföreningar kunde signifikant reducera neuronalt Ab42:Ab40; dock räddade en av föreningarna som innehöll en "cocktail" av kromolyn, topiramat och bromokriptin endast denna sjukdom fenotypin-hiPSC-neuroner härrörande från fAD-patienter.232 Patienternas genetiska mottaglighet för olika miljöfaktorer har också utforskats i hiPSC-härledda PD-modeller, vilket var omvänt med GT,174,233 som ger proof-of-concept-validering för en personlig inställning till terapeutisk intervention.

Sammantaget kan ytterligare utveckling av hiPSC-teknologi i slutändan tillåta forskare att stratifiera patienter baserat på specifika genetiska bakgrunder av riskfaktorer för att bedöma genetiska subpopulationers olika svar på behandling.

Regenerativa metoder för neurodegeneration

Hjärnneuronernas förmåga att regenerera som svar på skada är minimal; med vuxen neurogenes begränsad till ett fåtal utvalda hjärnregioner och i sjukdomar som kännetecknas av kronisk neurodegeneration, såsom AD och PD, är de resulterande kognitiva och beteendemässiga försämringarna irreversibla.

De mest spännande vägarna som dyker upp ur hiPSC-teknologin är vävnadstekniska strategier som syftar till att regenerera förlorad neuronal vävnad genom transplantation av hiPSC.

Dessa revolutionära terapeutiska strategier drar nytta av hiPSC:s förmåga att differentieras i flera underklasser av neurala celler och gliaceller. Medan konceptet med transplantation av hiPSC:er för att stimulera vävnadsregenerering fortfarande är i ett tidigt skede, är det ett snabbt växande område, och nya bevis har visat att transplantation av hiPSC och ESC kan vara fördelaktigt för flera sjukdomar, inklusive åldersrelaterad makuladegeneration234 235 och ryggmärgsskada.236

Med mer relevans här har en nyligen genomförd klinisk prövning utförd av Song et al.,237 som involverade transplantation av autologa hiPSC-härledda DA-neuroner till PD-patienter, effektivt återställt motoriska underskott för första gången. Denna banbrytande studie ger bevis på att sådana hiPSC-baserade transplantationstekniker ger den perfekta plattformen för framgångsrik regenerativ terapi vid NDD.

Icke desto mindre är det viktigt att erkänna att hiPSC-transplantation åtföljs av olika utmaningar, inklusive risken för tumörframkallning och transplantatavstötning av patienten.238 239 För att mildra detta hinder utvecklas för närvarande en mängd olika immunundanvikande strategier för att övervinna immunavstötning.24140,240,240

I kombination med sina självregenerativa egenskaper har hiPSCs många mycket önskvärda egenskaper för personlig regenerativ medicin och gör mannen till en idealisk kandidat för regenereringsbaserade terapier vid CNS-störningar. men också behovet av en DMT genom att använda genetiskt korrigerade celler.

Härledda från patienter kan hiPSCs genomgå en genmodifierande behandling in vitro, till exempel med CRISPR-Cas9-teknologi, för riktad korrigering av den muterade genen.

Därefter kunde de genetiskt korrigerade cellerna ersättas i den kliniska patienten. Sådana DNA-modifierande konstruktioner skulle helst förbli episomala och vara självinaktiverande när vävnaden transplanterades till patienten för att minska sannolikheten för effekter utanför målet.

En färdplan för inlämning av nya undersökningsprodukter (IP) för att behandla PD och AD

Översikt över den nuvarande utvecklingspipelinen för IP:er

De prekliniska studierna för nya PD- och AD-terapier är viktiga i utvecklingspipelinen för IPs. Målen för ett omfattande prekliniskt program för cellulär terapi och GT IPs (CGTIPs) inkluderar följande: (1) fastställande av biologisk rimlighet (målval); (2) identifiering av biologiskt aktiva dosnivåer (utveckling och optimering av blyföreningar); (3) val av potentiell startdosnivå, dosökningsschema och doseringsschema för kliniska prövningar; och (4) fastställande av genomförbarhet och rimlig säkerhet för CGT-IP-föreslagen klinisk administreringsväg (ROA).

Dessa steg är avgörande för att förbereda produkterna för ansökningar om Investigational New Drug (IND) och Biologics License Applications (BLA). (1) engagemang och effektivitet med låga mål och (4) otillfredsställande säkerhetsprofil är bland de vanligaste orsakerna till misslyckande med CGT-IP för PD- och AD-terapi (Figur 2).

Dessutom indikerar en nyligen genomförd retrospektiv granskning av försenat eller nekat godkännande av nya medicinska enheter av FDA mellan 2000 och 2012 att ofullständig formulering av måleffektivitet och fastställande av läkemedelssäkerhetsprofilen är viktiga faktorer som ligger till grund för misslyckandet i läkemedelsutvecklingsprogram för NDD, inklusive AD och PD.246

Denna studie informerade också om oro för ganska låg översättningsbarhet vid övergången från djurbaserade prekliniska studier till kliniska prövningar på människor. Det är viktigt att notera att FDA är väl medveten om dessa brister. FDA skapade nyligen riktlinjer som rekommenderar att man minimerar djuranvändning för IP-valideringar. Till exempel, i samband med låg artspecifik kompatibilitet för den kliniska produkten, tillåter FDA testning av alternativa valideringssystem med påvisade analoga och lämpliga egenskaper.

Uppkomsten av AD- och PD-patienthärledda hiPSCs och de relaterade plattformarna som beskrivs i denna översyn skulle kunna tillhandahålla ett sådant alternativt experimentellt system för att utveckla förmodade CGT-IP:er. I enlighet med dessa rekommendationer genomförs in vitro-baserade studier som täcker säkerhetsbestämning, dosoptimering, funktionsanalyser , immunfenotypning, morfologisk utvärdering, tidig toxikologiska data, farmakokinetik och farmakodynamik för IP kan uppfylla FDA:s krav för att fastställa produktens biologiska relevans.

Vidare, med användning av in vitro-studier, skulle hiPSCs i första hand vara till nytta för identifiering av potentiella säkerhetsproblem och verkningsmekanism (MOA) för undersökningsCGT-IP. Dessa överväganden stämmer väl överens med FDA:s riktlinjer som rekommenderar inkorporering av principerna för "3Rs", för att odla testmetodprotokoll som uppmuntrar till att minska, förfina och ersätta djuranvändning, som en uppföljning av tillämpliga bestämmelser i Animal Welfare Act Amendments av Animal Welfare Act. 1976 (7 USC2131 et seq.).

Konceptet att ersätta djurlägen stöder användbarheten av AD och PD in vitro-modelleringsprogram. Lämpligheten av dessa ansträngningar bör övervägas mer allmänt med bedömningen av "omförskjutningseffekten", om någon, på förmågan hos det prekliniska testprogrammet att tillhandahålla nödvändiga data om säkerheten och aktiviteten för CGT-IP-produkten.

Diskussionen ovan föreslår möjligheten att generera en tidig portfölj av det terapeutiska programmet för IND-framsteg genom att huvudsakligen använda in vitro-testning och validering, särskilt i samband med prekliniska tester, såväl som en fas 1a-kontrollpunkt för klinisk prövning (Figur 2). Vidare kan avancerade analyser, inklusive dosbegränsande säkerhets- och toxicitetsbedömningar, potentiellt förlita sig, åtminstone delvis, på in vitro-mätningar.

Dessa nya kliniskt relevanta säkerhets-, farmakokinetiska, farmakodynamiska, tolererbarhets- och biomarkördata skulle sedan informera efterföljande kliniska beslut angående nya IP:er. Att genomföra nödvändiga djurstudier för att lösa eventuella kvarstående problem bör därför övervägas först efter att utvecklingen av en CGT-IP-produkt går vidare till en preklinisk studie i senare fas.

Till exempel, om tillverknings-/formuleringsförändringar inträffar, så att jämförbarheten av den senare fasens CGT-produkten med produkten som används i den tidiga fasen (testad in vitro) är osäker, kan ytterligare in vivoprekliniska studier behövas för att överbrygga de två produkterna. Sådana överbryggande studier gör det möjligt för data som samlas in med produkten i tidig fas för att stödja utveckling eller licensiering i senare faser.

Som sådan föreslår vi att innan de definitiva prekliniska studierna i djurmiljöer inleds, bör in vitro-studier utföras för identifiering av potentiella säkerhetsproblem och MOA för en undersökningsprodukt CGT-IP (Figur 2).

Med det sagt föreslår vi att du kompletterar in vitro-studierna med bedömningar av ett batteri av fysiologiska och funktionella fenotyper av produkten efter in vivo-administrering. Bedömningarna kommer specifikt att testa förbättringen av standardsjukdomsfenotyper som etablerats i hiPSC-baserade sjukdomsmodeller, som tidigare visats.140,174,193,233

Följaktligen bör det prekliniska testprogrammet inkludera ett stegvis, multifaktoriellt tillvägagångssätt för att uppnå en förståelse av den biologiska sannolikheten för användningen av den undersökningsbaserade CGT-produkten i de avsedda AD- och PD-patientpopulationerna. För att dissekera processen för att certifiera en GT-produkt för IND-inlämning, rekommenderar vi att du kontaktar FDA vid de tidigaste stegen av produktutvecklingen, genom en pre-pre-IND-mekanism, som är en icke bindande, informell diskussion mellan granskare från Pharmacology/Toxicology Organisationens gren och utredaren.

Råden från Centre for Biologics Evaluation and Research (CBER)/Office of Cellular, Tissue and Gen Therapies (OCTGT) skulle vara oerhört värdefulla att ta hänsyn till när man utarbetar slutliga protokoll för definitiva prekliniska studier, såväl som vid utarbetandet av olika delar av informationsdokumentet för möte före IND.

De djurarter som väljs ut för bedömning av bioaktivitet och säkerhet bör visa ett biologiskt svar på den prövnings-CGT-produkten, liknande den som förväntas hos människor, för att generera data för att vägleda klinisk prövningsdesign.

Överväganden för att bestämma den relevanta arten inkluderar följande: (1) jämförbarhet mellan fysiologi och anatomi med människors; (2) tillåtelse/mottaglighet för infektion av, andraplicering av, virala vektorer eller mikrobiella vektorer för GT; (3) immuntolerans mot en human CGT-produkt eller human transgen uttryckt av en GT-produkt; och (4) genomförbarheten av att använda det planerade kliniska leveranssystemet/proceduren.

Avslutande anmärkningar

Strävan efter kliniskt effektiva DMT för åldersrelaterade NDD, såsom AD och PD, har mötts av betydande misslyckanden, trots över 40 års forskning. Flera faktorer är ansvariga för frånvaron av AD och PD DMT, och otillräckliga prekliniska sjukdomsmodeller utgör en stor begränsning.

Icke desto mindre kan kliniska prövningar av förmodade DMT-kandidater inte stoppas i väntan på den "perfekta" NDD-modellen. Nuvarande IND-regler kan potentiellt hindra nuvarande och framtida forskning om NDD-behandlingar genom att överdriva beroende av data som genereras från otillräckliga djurmodeller, vilket ytterligare bromsar framstegen mot att uppnå en DMT.

Med uppkomsten av patienthärledda hiPSCs gick fältet in i en ny era inom NDD-forskning, vilket möjliggör prekliniska undersökningar i samband med varje patients genetiska bakgrund, vilket är nyckeln i utvecklingen av DMT för komplexa genetiska sjukdomar. Parat med nya genredigerings- och leveranstekniker representerar hiPSCs en framväxande och lovande preklinisk verktygslåda som underlättar sjukdomsmodellering och läkemedelsupptäckt.

Sammanfattningsvis, medan användbarheten av gnagarmodeller är värdefull i flera aspekter av preklinisk utvärdering, såsom bedömning av säkerhetsprofilering, systemisk bioaktivitet och funktionella resultat, måste vi (1) erkänna fördelarna med NDD-modeller genererade från hiPSCs och betrakta deras användbarhet som ett komplement. plattform för att utvärdera terapeutisk effekt i prekliniska studier, (2) arbeta med att förbättra nuvarande djur- och cellbaserade modeller - och skräddarsydda modeller som kommer att vara tillämpliga för utvärdering av precisionsmedicinska terapier, och (3) definiera de mätbara behandlingsresultaten av den terapeutiska interventionen och i enlighet därmed , välj den/de mest lämpliga modellen.

KOMPLETTERANDE INFORMATION

Kompletterande information kan hittas online påhttps://doi.org/10.1016/j.ymthe.2021.01.001.

REFERENSER

1. Prince, M., Wimo, A., Guerchet, M., Ali, G.-C., Wu, Y.-T. och Prina, M. (2015). World Alzheimer Report 2015 The Global Impact of Demens En analys av prevalens, incidens, kostnader och trender (Alzheimer's Disease International).

2. Murray, CJL, Vos, T. och Lopez, A.; GBD 2015 Disease and Injury Incident and Prevalence Collaborators (2016). Global, regional och nationell incidens, prevalens och år med funktionshinder för 310 sjukdomar och skador, 1990-2015: en systematisk analys för Global Burden of Disease Study 2015. Lancet 388, 1545–1602.

3. Qiu, C., Kivipelto, M. och von Strauss, E. (2009). Epidemiologi av Alzheimers sjukdom: förekomst, bestämningsfaktorer och strategier för intervention. Dialoger Clin.Neurosci. 11, 111-128.

4. Levy, G. (2007). Förhållandet mellan Parkinsons sjukdom och åldrande. Båge. Neurol. 64,1242–1246.

5. Hebert, LE, Weuve, J., Scherr, PA och Evans, DA (2013). Alzheimers sjukdom i USA (2010-2050) uppskattades med hjälp av 2010 års folkräkning. Neurology 80, 1778–1783.

6. Alzheimerföreningen (2020). Fakta och siffror om Alzheimers sjukdom 2020. Alzheimers demens. 16, 391-460.

7. Wimo, A., Guerchet, M., Ali, GC, Wu, YT, Prina, AM, Winblad, B., Jönsson, L., Liu, Z., och Prince, M. (2017). De globala kostnaderna för demens 2015 och jämförelser med 2010. Alzheimers demens. 13, 1–7.

8. Cummings, JL, Morstorf, T. och Zhong, K. (2014). Utvecklingspipeline för läkemedel mot Alzheimers sjukdom: få kandidater, frekventa misslyckanden. Alzheimers Res. Ther. 6, 37.

9. Dong, J., Cui, Y., Li, S. och Le, W. (2016). Aktuella läkemedelsbehandlingar och alternativa terapier av Parkinsons sjukdom. Curr. Neuropharmacol. 14, 339-355.

10. Stoker, TB (2018). Parkinsons sjukdom: Patogenes och kliniska aspekter., JCGreenland, red. (Codon Publications). https://doi.org/10.15586/codonpublications. Parkinsons sjukdom.2018.

11. Hung, SY och Fu, WM (2017). Läkemedelskandidater i kliniska prövningar för Alzheimers sjukdom. J. Biomed. Sci. 24, 47.

12. Lang, AE och Espay, AJ (2018). Sjukdomsmodifiering i Parkinsons sjukdom: Nuvarande tillvägagångssätt, utmaningar och framtida överväganden. mån. Oordning. 33 660–677.

For more information:1950477648nn@gmail.com