Vejen til fremskridt i prækliniske undersøgelser af aldersrelaterede neurodegenerative sygdomme: et perspektiv på gnavere og HiPSC-afledte modeller, del 6

Modellering af aldring "i et fad"

Fremkaldelse af aldersrelaterede morfologiske og funktionelle cellulære signaturer. Mens modellering af neuro-udviklingsforstyrrelser (f.eks. spinalmuskulær atrofi, primær herpes simplex encephalitis) med hiPSC har været vellykket, er det meget vanskeligere nøjagtigt at rekapitulere sygdomsfænotyper af aldersrelaterede NDD'er, såsom AD og PD.

Encephalitis er en almindelig sygdom, der påvirker den menneskelige hjerne og kan endda føre til døden i alvorlige tilfælde. Encephalitis kan have ekstremt negative virkninger på mange systemer i den menneskelige krop, såsom nerve- og åndedrætssystemerne. Indvirkningen på hukommelsen er dog tovejs.

Encephalitis kan påvirke den menneskelige krops hukommelse. Nogle patienter mister meget hukommelse, når tilstanden er alvorlig. Dette skyldes, at hjernebetændelse forårsager skade på den menneskelige hjerne, hvilket resulterer i problemer med transmission og modtagelse af signaler. Dette kan forårsage kortsigtede og langsigtede hukommelsesproblemer, som afhænger af omfanget af hjerneskade.

Men under behandlingen af ​​hjernebetændelse vil den menneskelige krops hukommelse langsomt komme sig. Dette skyldes, at læger under behandlingsprocessen vil give patienter nogle specielle lægemidler til gradvist at genoprette nervecellernes sundhed og derved forbedre den menneskelige krops hukommelse.

Dette er også en påmindelse om, at for nogle mennesker, der er tilbøjelige til hjernebetændelse, er det også meget vigtigt at slappe af og styrke immunsystemet, hvilket kan hjælpe dem med at holde sig væk fra faren for hjernebetændelse. Deltag for eksempel i flere sunde aktiviteter, undgå at blive sent oppe i lang tid, og spis mere nærende mad.

Kort sagt, selvom hjernebetændelse vil påvirke den menneskelige krops hukommelse, vil denne effekt blive lindret efterhånden som behandlingen skrider frem. At møde sygdommen korrekt, opretholde en sund livsstil og aktivt behandle den kan få os til at leve et mere positivt liv, lade os værne om livet mere og tilbringe hver dag lykkeligt. Det kan ses, at vi skal forbedre hukommelsen. Cistanche kan forbedre hukommelsen markant, fordi den også kan regulere balancen mellem neurotransmittere, såsom at øge niveauet af acetylcholin og vækstfaktorer, som er meget vigtige for hukommelse og indlæring. Derudover kan Cistanche også forbedre blodgennemstrømningen og fremme ilttilførsel, hvilket kan sikre, at hjernen får tilstrækkelig næring og energi, og derved forbedre hjernens vitalitet og udholdenhed.

Klik på kend kosttilskud for at øge hukommelsen

Omprogrammeringen af ​​somatiske celler til at generere hiPSC'er sletter donorcellernes molekylære alderssignaturer og vender dem tilbage til føtale udviklingsstadier. denne begrænsning, herunder ektopisk overekspression af aldringsrelaterede proteiner, såsom progerin,221 induceret kunstig forkortelse af telomerer,222 og eksponering for forskellige toksiner, der forårsager mitokondriel dysfunktion og oxidativt stress.223,224En anden strategi til at inducere aldring er blevet udviklet af ChibaFalek og anvender. flere passage af NPC'erne for at efterligne de naturlige ældningsprocesser.

Denne strategi repræsenterer et attraktivt alternativ sammenlignet med tidligere metoder beskrevet ovenfor, da den reducerer de potentielle kunstige fænotyper, en konsekvens af toksineksponering eller ektopisk ekspression, og er baseret på en mere naturlig proces til at inducere aldring i cellulære modeller af NDD'er."Direct Conversion" af Somatiske celler til neuronale modeller.

Alternativt blev metoder kendt som "afstamning/direkte konvertering" eller "transdifferentiering" udviklet for at bevare donoralderen og bevare de "aldrede" molekylære signaturer.

Denne tilgang er baseret på direkte omprogrammering af humane somatiske celler, såsom fibroblaster, til neuroner gennem tilvejebringelse af forskellige celleafstamningsspecifikke transkriptionsfaktorer uden et mellemliggende de-differentieringsstadium til hiPSC'er.225-227 Et eksempel er genereringen af ​​DA-induceret neuroner (iN'er) direkte fra museembryonale fibroblaster228 og humane astrocytter229 som et middel til at producere et mere passende modelsystem til at studere aldersrelateret human neurodegeneration.

Faktisk tillader disse metoder bevarelsen af ​​ældningseffekterne på genomet. I sidste ende bør retningslinjer for at håndtere de biologiske og tekniske begrænsninger relateret til hiPSC-arbejde, især forskelle mellem hiPSC-donorer, autentificering af den afledte kulturens renhed og genetisk stabilitet, overvejes at kontrollere for variabilitet i hiPSC-afledte modeller og for at sikre robuste resultater og en høj grad af reproducerbarhed.

Fremtidige retningslinjer i hiPSC-applikationer i sammenhæng med NDD'erPersonaliseret medicin og lægemiddelscreening

AD og PD udviser høj variabilitet og heterogenitet i symptomer; disse patologier kan således hver repræsentere en gruppe af undertypesygdomme.

Kondo et al.232 viste, at hiPSC'er afledt af fAD- og sAD-patienter udviste forskellig lægemiddelrespons på behandling med docosahexaensyre (DHA), et lægemiddel, der tidligere fejlede i kliniske AD-forsøg.

Disse data er indikative for forskellige undertyper af AD, som har forskellige kliniske responser på behandlingen. Der er således behov for at stratificere undersøgelsesdeltagerne for at opnå en fordel i kliniske forsøg, hvilket antyder, at flere terapeutika, der mislykkedes i kliniske forsøg, stadig kan have potentialet til at være effektive i visse definerede undertyper af AD.

Forbedringen af ​​de nuværende prækliniske modeller vil lette nøjagtig vurdering af eksisterende og nye lægemidler ved at definere bedre resultatmål og/eller passende patientpopulationer.

Kondo et al.232 demonstrerede yderligere anvendeligheden af ​​hiPSC-afledte AD-modeller til high-throughput screening af et panel af formodede terapeutiske forbindelser ved hjælp af tidligere etablerede sygdomsfænotyper som resultatmål, nemlig evnen til at reducere Ab42:Ab40-forholdet i neuroner afledt af 13 AD patient hiPSC linjer.

Seks blyforbindelser var i stand til signifikant at reducere neuronalt Ab42:Ab40; imidlertid reddede en af ​​forbindelserne, der indeholdt en "cocktail" af cromolyn, topiramat og bromocriptin kun denne sygdom fænotypein hiPSC-neuroner afledt fra fAD-patienter.232 Patienters genetiske modtagelighed over for forskellige miljøfaktorer er også blevet udforsket i hiPSC-afledte PD-modeller, som var vendt med GT,174,233, der giver proof-of-concept validering for en personlig tilgang til terapeutisk intervention.

Samlet set kan yderligere udvikling af hiPSC-teknologi i sidste ende give forskere mulighed for at stratificere patienter baseret på specifikke genetiske baggrunde for risikofaktorer for at vurdere genetiske subpopulationers forskellige reaktioner på behandling.

Regenerative tilgange til neurodegeneration

Hjernens neuroners kapacitet til at regenerere som reaktion på skade er minimal; med voksen neurogenese begrænset til nogle få udvalgte hjerneregioner og i sygdomme karakteriseret ved kronisk neurodegeneration, såsom AD og PD, er de resulterende kognitive og adfærdsmæssige svækkelser irreversible.

De mest spændende veje, der dukker op fra hiPSC-teknologien, er vævsteknologiske strategier, der sigter på at regenerere tabt neuronalt væv gennem transplantation af hiPSC'er.

Disse revolutionære terapeutiske strategier udnytter hiPSC's kapacitet til at blive differentieret i flere underklasser af neurale celler og gliaceller. Mens konceptet med transplantation af hiPSC'er for at stimulere vævsregenerering stadig er på et tidligt stadium, er det et område i hastig udvikling, og nyere beviser har vist, at transplantation af hiPSC og ESC'er kan være gavnlige for flere sygdomme, herunder aldersrelateret makuladegeneration234.235 og rygmarvsskade.236

Med mere relevans her har et nyligt klinisk forsøg udført af Song et al.,237, som involverede transplantation af autologe hiPSC-afledte DA-neuroner til PD-patienter, effektivt genoprettet motoriske underskud for første gang. Denne banebrydende undersøgelse giver bevis på konceptet, at sådanne hiPSC-baserede transplantationsteknikker giver den perfekte platform for vellykket regenerativ terapi i NDD'er.

Ikke desto mindre er det vigtigt at erkende, at hiPSC-transplantation er ledsaget af forskellige udfordringer, herunder risikoen for tumorigenicitet og transplantatafstødning hos patienten.238.239 For at afbøde denne hindring er der i øjeblikket udviklet en række immunundvigende strategier til at overvinde immunafstødning.24140,240,240

Kombineret med deres selvregenerative egenskaber besidder hiPSC'er mange yderst ønskværdige egenskaber til personlig regenerativ medicin og gør dem til en ideel kandidat til regenereringsbaserede terapier ved CNS-lidelser. men også behovet for en DMT ved at bruge genetisk korrigerede celler.

Afledt fra patienter kan hiPSC'er gennemgå en genmodificerende behandling in vitro, for eksempel ved hjælp af CRISPR-Cas9-teknologi, til målrettet korrektion af det muterede gen.

Efterfølgende kunne de genetisk korrigerede celler erstattes i den kliniske patient. Sådanne DNA-modificerende konstruktioner ville ideelt set forblive episomale og være selvinaktiverende på det tidspunkt, hvor vævet blev transplanteret til patienten for at reducere sandsynligheden for effekter uden for målet.

En køreplan for indsendelse af nye undersøgelsesprodukter (IP'er) til behandling af PD og AD

Oversigt over den nuværende udviklingspipeline for IP'er

De prækliniske undersøgelser for nye PD- og AD-terapier er vigtige i udviklingspipelinen af ​​IP'er. Målene for et omfattende præklinisk program for cellulær terapi og GT IP'er (CGTIP'er) omfatter følgende: (1) etablering af biologisk plausibilitet (målvalg); (2) identifikation af biologisk aktive dosisniveauer (udvikling og optimering af blyforbindelser); (3) valg af potentielt startdosisniveau, dosisoptrapningsplan og doseringsregime til kliniske forsøg; og (4) etablering af gennemførlighed og rimelig sikkerhed af CGT-IP-forslaget klinisk administrationsvej (ROA).

Disse trin er afgørende i forberedelsen af ​​produkterne til indsendelse af Investigational New Drug (IND) og Biologics License Application (BLA). (1) engagement og effektivitet med lavt mål og (4) utilfredsstillende sikkerhedsprofil er blandt de mest almindelige årsager til fejl i CGT-IP'erne for PD- og AD-terapi (figur 2).

Desuden viser en nylig retrospektiv gennemgang af forsinket eller nægtet godkendelse af nye medicinske enheder af FDA mellem 2000 og 2012, at uomfattende formulering af måleffektivitet og bestemmelse af lægemiddelsikkerhedsprofilen repræsenterer vigtige faktorer, der ligger til grund for fejlen i lægemiddeludviklingsprogrammer for NDD'er, herunder AD og PD.246

Denne undersøgelse informerede også bekymringen om en forholdsvis lav oversættelsesevne ved overgangen fra dyrebaserede prækliniske undersøgelser til kliniske forsøg på mennesker. Det er vigtigt at bemærke, at FDA er udmærket klar over disse mangler. FDA har for nylig oprettet retningslinjer, der anbefaler at minimere brugen af ​​dyr til IP-validering. I forbindelse med lav artsspecifik kompatibilitet af det kliniske produkt tillader FDA f.eks. testning af alternative valideringssystemer med påviste analoge og passende karakteristika.

Fremkomsten af ​​AD- og PD-patientafledte hiPSC'er og de relaterede platforme, der er skitseret i denne gennemgang, kunne give et sådant alternativt eksperimentelt system til udvikling af formodede CGT-IP'er. I overensstemmelse med disse anbefalinger er gennemførelsen af ​​in vitro-baserede undersøgelser, der dækker sikkerhedsbestemmelse, dosisoptimering, funktionelle assays. , immunfænotypning, morfologisk evaluering, tidlige toksikologiske data, farmakokinetik og farmakodynamik af IP kan opfylde FDA-kravet for at fastslå produktets biologiske relevans.

Ydermere vil hiPSC'er med brugen af ​​in vitro-undersøgelser primært være gavnlige til identifikation af potentielle sikkerhedsproblemer og virkningsmekanisme (MOA) af undersøgelses-CGT-IP'er. Disse overvejelser stemmer godt overens med FDA-vejledningen, der anbefaler inkorporering af principperne i "3R'erne", for at dyrke testmetodeprotokoller, der tilskynder til at reducere, forfine og erstatte dyreanvendelse som opfølgning på de gældende bestemmelser i Animal Welfare Act Amendments af 1976 (7 USC2131 et seq.).

Konceptet med at erstatte dyretilstande understøtter brugen af ​​AD og PD in vitro modelleringsprogrammer. Egnetheden af ​​disse bestræbelser bør overvejes mere bredt med vurderingen af ​​"omskiftningseffekten", hvis nogen, på det prækliniske testprograms evne til at levere nødvendige data vedrørende sikkerheden og aktiviteten af ​​CGT-IP-produktet.

Diskussionen ovenfor foreslår muligheden for at generere en tidlig portefølje af det terapeutiske program for IND-fremskridt ved hjælp af overvejende in vitro-testning og validering, især i forbindelse med præklinisk testning, samt et fase 1a klinisk forsøgskontrolpunkt (figur 2). Endvidere kan avancerede analyser, herunder dosisbegrænsende sikkerheds- og toksicitetsvurderinger, potentielt stole, i det mindste delvist, på in vitro-målinger.

Disse nye klinisk relevante sikkerheds-, farmakokinetiske, farmakodynamiske, tolerabilitets- og biomarkørdata vil derefter informere efterfølgende kliniske beslutninger vedrørende nye IP'er. Udførelse af nødvendige dyreforsøg for at løse eventuelle udestående problemer bør derfor først overvejes, efter at udviklingen af ​​et CGT-IP-produkt går videre til en senere fase af præklinisk undersøgelse.

Hvis f.eks. fremstillings-/formuleringsændringer forekommer, således at sammenligneligheden af ​​det senere fase CGT-produkt med det produkt, der blev brugt i den tidlige fase (testet in vitro), er usikker, kan det være nødvendigt med yderligere in vivoprekliniske undersøgelser for at bygge bro mellem de to produkter. Sådanne brobygningsundersøgelser gør det muligt at indsamle data med tidligfaseproduktet for at understøtte senere faseudvikling eller licensudstedelse.

Som sådan foreslår vi, at der før påbegyndelsen af ​​de definitive prækliniske undersøgelser i dyremiljøer skal udføres in vitro-undersøgelser til identifikation af potentielle sikkerhedsproblemer og MOA af et CGT-IP-produkt til undersøgelse (figur 2).

Med det sagt foreslår vi at supplere in vitro-undersøgelserne med vurderinger af et batteri af fysiologiske og funktionelle fænotyper af produktet efter in vivo-administration. Vurderingerne vil specifikt teste forbedringen af ​​standard sygdomsfænotyper etableret i hiPSC-baserede sygdomsmodeller, som tidligere demonstreret.140,174,193,233

I overensstemmelse hermed bør det prækliniske testprogram inkorporere en trinvis, multifaktoriel tilgang for at opnå en forståelse af den biologiske plausibilitet af brugen af ​​det undersøgelsesmæssige CGT-produkt i de tilsigtede AD- og PD-patientpopulationer. For at dissekere processen med at certificere et GT-produkt til indsendelse af IND, råder vi til at kontakte FDA på de tidligste trin i produktudviklingen gennem en præ-præ-IND-mekanisme, som er en uforpligtende, uformel diskussion mellem anmeldere fra Pharmacology/Toxicology Organisationens afdeling og efterforskeren.

Rådene fra Center for Biologisk Evaluering og Forskning (CBER)/Office of Cellular, Tissue and Gen Therapies (OCTGT) ville være yderst værdifulde at overveje, når man udarbejder endelige protokoller for endelige prækliniske undersøgelser, såvel som ved udarbejdelse af forskellige dele af orienteringsdokumentet for før-IND møde.

De dyrearter, der er udvalgt til vurdering af bioaktivitet og sikkerhed, bør udvise abiologisk respons på forsøgs-CGT-produktet, svarende til det, der forventes hos mennesker, for at generere data til vejledning i klinisk forsøgsdesign.

Overvejelser til bestemmelse af den relevante art omfatter følgende: (1) sammenlignelighed af fysiologi og anatomi med menneskers; (2) permissivitet/modtagelighed over for infektion med, andreplikation af, virale vektorer eller mikrobielle vektorer for GT; (3) immuntolerance over for et humant CGT-produkt eller et humant transgen udtrykt af et GT-produkt; og (4) gennemførligheden af ​​at bruge det planlagte kliniske leveringssystem/procedure.

Afsluttende bemærkninger

Forfølgelsen af ​​klinisk effektive DMT'er til aldersrelaterede NDD'er, såsom AD og PD, er blevet mødt med betydelig fiasko på trods af over 40 års forskning. Flere faktorer er ansvarlige for fraværet af AD og PD DMT'er, og utilstrækkelige prækliniske sygdomsmodeller udgør en væsentlig begrænsning.

Ikke desto mindre kan kliniske forsøg med formodede DMT-kandidater ikke standses, mens man venter på den "perfekte" NDD-model. Nuværende IND-bestemmelser kan potentielt hindre nuværende og fremtidig forskning i NDD-behandlinger ved overdreven afhængighed af data genereret fra utilstrækkelige dyremodeller, hvilket yderligere bremser fremskridtene mod at opnå en DMT.

Med fremkomsten af ​​patientafledte hiPSC'er trådte feltet ind i en ny æra inden for NDD-forskning, hvilket muliggjorde prækliniske undersøgelser i sammenhæng med hver patients genetiske baggrund, hvilket er nøglen i udviklingen af ​​DMT for komplekse genetiske sygdomme. Parret med nye genredigerings- og leveringsteknikker repræsenterer hiPSC'er et spirende og lovende præklinisk værktøjssæt, der letter sygdomsmodellering og lægemiddelopdagelse.

Konklusion, mens nytten af ​​gnavermodeller er værdifuld i flere aspekter af præklinisk evaluering, såsom vurdering af sikkerhedsprofilering, systemisk bioaktivitet og funktionelle resultater, er vi nødt til (1) at anerkende fordelene ved NDD-modeller genereret fra hiPSCs og betragte deres nytte som en komplementær platform for evaluering af terapeutisk effekt i prækliniske studier, (2) arbejde på at forbedre nuværende dyre- og cellebaserede modeller - og tilpassede modeller, der vil være anvendelige til evaluering af præcisionsmedicinske terapier, og (3) definere de målbare behandlingsresultater af den terapeutiske intervention og i overensstemmelse hermed , vælg det/de mest egnede modelsystem.

SUPPLERENDE OPLYSNINGER

Supplerende oplysninger kan findes online påhttps://doi.org/10.1016/j.ymthe.2021.01.001.

REFERENCER

1. Prince, M., Wimo, A., Guerchet, M., Ali, G.-C., Wu, Y.-T. og Prina, M. (2015).World Alzheimer Report 2015 The Global Impact of Demens en analyse af prævalens, forekomst, omkostninger og tendenser (Alzheimers Disease International).

2. Murray, CJL, Vos, T. og Lopez, A.; GBD 2015 Sygdoms- og skadeshyppighed og prævalenssamarbejdspartnere (2016). Global, regional og national forekomst, prævalens og leveår med handicap for 310 sygdomme og skader, 1990-2015: en systematisk analyse for Global Burden of Disease Study 2015. Lancet 388, 1545-1602.

3. Qiu, C., Kivipelto, M. og von Strauss, E. (2009). Epidemiologi af Alzheimers sygdom: forekomst, determinanter og strategier mod intervention. Dialoger Clin.Neurosci. 11, 111-128.

4. Levy, G. (2007). Forholdet mellem Parkinsons sygdom og aldring. Arch. Neurol. 64,1242-1246.

5. Hebert, LE, Weuve, J., Scherr, PA og Evans, DA (2013). Alzheimers sygdom i USA (2010-2050) blev estimeret ved hjælp af 2010-tællingen. Neurology 80, 1778–1783.

6. Alzheimerforeningen (2020). Fakta og tal om Alzheimers sygdom 2020. Alzheimers demens. 16, 391-460.

7. Wimo, A., Guerchet, M., Ali, GC, Wu, YT, Prina, AM, Winblad, B., Jönsson, L., Liu, Z., og Prince, M. (2017). De verdensomspændende omkostninger ved demens 2015 og sammenligninger med 2010. Alzheimers demens. 13, 1-7.

8. Cummings, JL, Morstorf, T. og Zhong, K. (2014). Udviklingspipeline for lægemidler til Alzheimers sygdom: få kandidater, hyppige fejl. Alzheimers Res. Ther. 6, 37.

9. Dong, J., Cui, Y., Li, S. og Le, W. (2016). Nuværende farmaceutiske behandlinger og alternative terapier af Parkinsons sygdom. Curr. Neuropharmacol. 14, 339-355.

10. Stoker, TB (2018). Parkinsons sygdom: Patogenese og kliniske aspekter., JCGreenland, red. (Codon Publications). https://doi.org/10.15586/codonpublications. Parkinsons sygdom.2018.

11. Hung, SY og Fu, WM (2017). Lægemiddelkandidater i kliniske forsøg for Alzheimers sygdom. J. Biomed. Sci. 24, 47.

12. Lang, AE, og Espay, AJ (2018). Sygdomsændring i Parkinsons sygdom: Nuværende tilgange, udfordringer og fremtidige overvejelser. man. Uorden. 33.660-677.

For more information:1950477648nn@gmail.com