La voie à suivre pour faire progresser les études précliniques sur les maladies neurodégénératives liées à l'âge : une perspective sur les modèles dérivés de rongeurs et de HiPSC, partie 5

Avantages des systèmes cellulaires et des modèles de maladies dérivés de hiPSC

Plateformes améliorées de modélisation des maladies et de découverte de médicaments

Le potentiel des modèles in vitro basés sur hiPSC d'être très informatifs pour les NDD avec une composante génétique humaine est élevé.

La relation entre la génétique humaine et la mémoire est une question très débattue, en particulier dans la société moderne, où l’accent est mis sur le développement personnel et l’apprentissage. Bien que nos informations génétiques déterminent nos caractéristiques de base à la naissance, la mémoire est différente des caractéristiques fixes telles que notre taille et la couleur de notre peau. Au contraire, elle peut être cultivée et améliorée, et elle joue un rôle important dans la vie quotidienne.

Tout d’abord, les recherches scientifiques montrent que la mémoire n’est pas directement liée aux gènes génétiques. Bien que certaines personnes naissent plus intelligentes que d’autres, à long terme, la mémoire peut être progressivement améliorée grâce à l’apprentissage et à la cultivation. Dans notre processus d’apprentissage, de l’école primaire à l’université, nous devons constamment utiliser et améliorer notre mémoire pour améliorer nos résultats scolaires. Par exemple, nous nous souvenons des problèmes et des solutions grâce à des révisions et des pratiques répétées, ce qui contribue à exercer notre capacité de mémoire.

Deuxièmement, un mode de vie sain aide également beaucoup notre mémoire. La santé physique a un impact et un effet importants sur la mémoire, comme un sommeil adéquat, une alimentation saine et un exercice modéré. Nous commençons par notre propre corps et restons en bonne santé grâce à l'exercice et à un mode de vie sain, ce qui rendra notre mémoire plus claire et plus nette.

Enfin, nous pouvons également développer notre capacité de mémoire en élargissant constamment nos horizons et en participant à diverses nouvelles choses. Par exemple, nous pouvons essayer d’apprendre une nouvelle langue et participer à des activités sociales telles que voyager, et ces expériences peuvent créer davantage de souvenirs dans notre esprit.

En bref, la relation entre la génétique humaine et la mémoire est complexe et diversifiée, et bien sûr, il existera des différences correspondantes basées sur les différences génétiques personnelles. Mais nous ne devons pas ignorer ce que nous pouvons faire : améliorer notre mémoire et notre capacité d’autogestion grâce à un apprentissage continu, une vie saine et un élargissement constant de nos horizons est le meilleur moyen pour nous de surmonter les différences génétiques. On peut voir que nous devons améliorer notre mémoire, et le Cistanche peut améliorer considérablement la mémoire car le Cistanche est une médecine traditionnelle chinoise avec de nombreux effets uniques, dont l'un est d'améliorer la mémoire. L'efficacité du Cistanche provient de ses différents ingrédients actifs, notamment l'acide tannique, les polysaccharides, les glycosides flavonoïdes, etc. Ces ingrédients peuvent favoriser la santé cérébrale de plusieurs manières.

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La capacité de corréler les gènes candidats NDD avec des phénotypes cellulaires, tels que les profils d'expression d'ARN et de protéines, les changements morphologiques et les signatures biochimiques dans les cellules dérivées de hiPSC, facilite les études portant sur la façon dont les composants génétiques humains des NDD complexes, tels que AD et PD, sont exprimés sur un niveau cellulaire.

De plus, les hiPSC permettent l'incorporation de la complexité génétique des antécédents génétiques sous-jacents des patients dans le modèle, qui est souvent niée (par exemple, modèles chimiques) ou simplifiée à l'extrême (par exemple, modèles animaux variantes monogénétiques).

Il est bien reconnu que l’apparition, la progression et la gravité de la neurodégénérescence sont déterminées par des facteurs génétiques complexes et par l’interaction de plusieurs variantes génétiques ayant des effets relativement mineurs.

Ce paysage génétique inné capturé dans les modèles hiPSC dérivés de patients nous permet d'étudier les déterminants génétiques et les facteurs biologiques, associés à la capacité de générer des modèles NDD in vitro modulaires et de haute fidélité, pour s'appuyer sur notre compréhension actuelle de la biologie des maladies. La technologie hiPSC représente actuellement la seule technologie humaine disponible. -des modèles basés sur des modèles dans lesquels le paysage génétique complet des patients est capturé.

En outre, la possibilité d'appliquer des technologies d'édition du génome, telles que CRISPR-Cas9, à l'aide de hiPSC a permis la génération de modèles isogéniques pour l'évaluation de variantes génétiques précises. En plus de leur évolutivité, les hiPSC sont auto-renouvelables.

Ainsi, les modèles dérivés de hiPSC constituent un système prometteur de premier plan pour les études précliniques. De plus, la diversité génétique humaine capturée dans la capacité hiPSC dérivée du patient les rend adaptées à l'évaluation d'approches de « médecine personnalisée ».

La capacité de dépister efficacement les réactions individuelles aux traitements et d'identifier les non-répondeurs ou les mauvais répondeurs avant l'administration dans un contexte clinique souligne encore l'adéquation des modèles dérivés de hiPSC pour les évaluations précliniques (Figure 2).

Collectivement, les informations potentielles générées par les études précliniques dans les modèles hiPSC sont robustes, pertinentes pour les sujets humains et essentielles à mettre en œuvre dans la conception des essais cliniques (par exemple, stratification des sujets d'étude) pour améliorer l'exactitude des résultats.

Surmonter les limites des modèles animaux

Les hiPSC offrent un moyen de surmonter bon nombre des problèmes présents dans les modèles animaux actuels, comme indiqué précédemment. Premièrement, les modèles dérivés de l'iPS fournissent une plate-forme humaine pour évaluer les thérapies potentielles dans le paysage génétique actuel de la maladie humaine.

Deuxièmement, en dérivant des cellules de patients, de nombreux problèmes techniques concernant la meilleure façon de modéliser les mutations des maladies humaines sont contournés, car le modèle contient le bagage génétique unique du patient. Troisièmement, les cellules hiPSC sont facilement accessibles aux manipulations génétiques et pharmacologiques, permettant des analyses structurelles et fonctionnelles à haut débit qui évaluent le phénotype de la maladie.

À cette fin, nous avons récemment développé un modèle neuronal DA dérivé de hiPSC obtenu auprès d'un patient atteint de MP avec triplication SNCA pour évaluer un LV GT tout-en-un visant à réduire les niveaux de SNCA. Notre intervention LV a réussi à réduire les niveaux de SNCA et à sauver les phénotypes liés à la maladie grâce à la génération d'espèces oxydatives réactives (ROS) et à la préservation de la viabilité cellulaire.140

Quatrièmement, par rapport au modèle de rongeur standard, la génération de modèles in vitro basés sur les hiPSC peut être réalisée dans un délai nettement plus court, de l'ordre de 30 jours, par opposition aux modèles animaux qui peuvent varier considérablement de plusieurs mois à plusieurs années.

Cinquièmement, et conformément au point précédent, les modèles basés sur hiPSC sont considérablement moins coûteux et consomment moins d'énergie que les modèles de rongeurs, en particulier si l'on prend en compte les obligations et les infrastructures en cours en matière d'entretien des animaux, les réglementations, ainsi que les exigences en matière de formation et de conformité. De plus en plus économique, la modélisation préclinique des maladies augmente l'accessibilité pour les groupes de recherche afin d'évaluer les thérapies putatives, améliore la traductibilité et, finalement, améliore l'efficacité du développement du DMT.202

Ensemble, ces avantages confèrent aux modèles dérivés de l'hiPSC un avantage distinct dans l'étude de la neurodégénérescence, et ces modèles ont le potentiel de générer de nouvelles découvertes qui étaient inaccessibles dans les modèles précédents de culture cellulaire et de maladies animales.

Les études examinées ici démontrent la nécessité et la valeur de l'incorporation de modèles 2D et 3D basés sur hiPSC dans les études mécanistiques NDD élucidant les facteurs impliqués dans l'étiologie des maladies et les voies pathogènes, ainsi que dans les études translationnelles et de découverte de médicaments, telles que l'identification et la validation de cibles thérapeutiques. .

Ensemble, les modèles NDD dérivés de hiPSC représentent un pas en avant dans la recherche médicale grâce à une modélisation améliorée des maladies qui est considérablement réalisable, avec des expériences relativement plus courtes qui sont rentables et peut-être plus important encore, précises et adaptées à la modélisation des maladies humaines.

Figure 2. Schéma d'un pipeline amélioré de développement de médicaments DMT pour les NDD grâce à une incorporation et/ou une substitution accrue de modèles dérivés de hiPSC. Le développement de tout DMT putatif commence par la phase de découverte, qui englobe à la fois l'identification de cibles génétiques pertinentes et les mécanismes de la maladie.

Des modèles de maladie ultérieurs sont conçus au début de la phase préclinique pour explorer la physiopathologie cellulaire de la maladie et valider les cibles médicamenteuses, ainsi que pour le dépistage précoce et l'optimisation des premiers CGT-IP/DMT. Le développement progressif des DMT, y compris le développement ultérieur du modèle et la validation des cibles, ainsi que l'investigation des effets hors cible, a lieu au cours de la phase préclinique intermédiaire.

À mesure que le DMT progresse, des informations supplémentaires concernant l'activité pharmacocinétique et pharmacodynamique sont obtenues à la fin de la phase préclinique. L'utilisation accrue de modèles dérivés de hiPSC dans ces phases représente une amélioration intéressante du pipeline de développement de médicaments existant pour plusieurs raisons ; à savoir, ils sont rentables, polyvalents et, surtout, surmontent bon nombre des limitations innées des modèles animaux existants de NDD.

À ce stade, les candidatures IND peuvent être soumises pour des DMT putatifs, qui contiennent actuellement 4 objectifs critiques qui doivent être atteints avec tout DMT émergent, en particulier les CGT-IP : (1) sélection des cibles, (2) développement et optimisation du composé principal, (3) initial et un schéma posologique croissant, et (4) l'établissement de la faisabilité et du ROA.

Chacun de ces problèmes peut être résolu de manière précise et appropriée en remplaçant les modèles basés sur hiPSC dans les études précliniques. Les DMT pourraient alors recevoir l’approbation de la FDA pour commencer les essais cliniques.

L'incorporation de modèles basés sur hiPSC dans une phase 1a supplémentaire peut être incluse, ce qui facilite un meilleur dépistage des candidats lors de la phase de recrutement et l'identification des non-répondeurs potentiels ou des mauvais répondeurs sur la base d'études génétiques précliniques.

Les DMT dont l'innocuité est démontrable en phase 1a progressent ensuite dans les essais cliniques de phase 1, 2 et 3, après quoi ceux ayant un effet positif significatif reçoivent l'approbation réglementaire de la demande de nouveau médicament (NDA) et sont mis à la disposition des consommateurs avec une pharmacovigilance continue pour identifier tout élément non identifié auparavant. des conséquences néfastes au fil du temps.

Limites des modèles in vitro dérivés de hiPSCDurée et reproductibilité

Les technologies de culture des hiPSC ont émergé au cours de la dernière décennie et leur utilité pour la modélisation des maladies et l'évaluation préclinique des DMT putatifs est relativement nouvelle.

Comme pour toute technologie émergente, plusieurs limites doivent être prises en compte lorsqu’on tente de recréer avec précision les caractéristiques biologiques des NDD. Avant tout, la culture de hiPSC et la génération de modèles cellulaires précis et fiables peuvent être coûteuses, laborieuses et longues. En moyenne, il en coûte entre 10 $000 et 25 USD000 pour valider des lignées hiPSC selon une norme adaptée à la recherche médicale.203

Les processus de reprogrammation, de différenciation et de maturation se prolongent. La reprogrammation cellulaire du tissu starter en hiPSC peut prendre au moins 20 à 30 jours151, et la différenciation et la maturation cellulaires ultérieures varient en fonction du type cellulaire souhaité et de la méthode utilisée ; par exemple, la génération de neurones matures, d'astrocytes et de microgliales peut nécessiter respectivement de 6 à 15 semaines,204 4 à 9 semaines,205,206 ou 5 à 9 semaines,164,207.

En conséquence, les chercheurs préfèrent souvent utiliser des cellules progénitrices comme intermédiaires stables pour l'expérimentation, car elles sont largement représentatives du type de cellule cible et peuvent être générées dans un laps de temps plus rapide.204 Ainsi, les contraintes de temps et les coûts requis pour l'établissement du système modèle hiPSC peuvent constituent une préoccupation pour de nombreux groupes de recherche.

En outre, le temps requis pour le développement de phénotypes cellulaires clés associés à la maladie dans les cellules dérivées de hiPSC est également un facteur à prendre en compte dans la modélisation des NDD. Alors qu'il faut des décennies au cours de la vie d'un patient pour présenter des symptômes cliniques et pathologiques, les phénotypes moléculaires liés à la maladie dans les modèles dérivés de hiPSC ont été détectés environ 2 mois après la maturation.208

Néanmoins, les contraintes proviennent de la durée de vie limitée des modèles en culture basés sur hiPSC, qui pourrait ne pas être suffisante pour développer une image complète ressemblant à la maladie aux niveaux cellulaire et tissulaire.

Des stratégies visant à accélérer le processus de différenciation et de maturation, telles que l'incorporation d'inhibiteurs de Notch et de g-sécrétase pour raccourcir le temps de maturation209, et la surexpression de la neurogénine-2 (Ngn2) ou de NeuroD1158, ont été partiellement couronnées de succès et ont introduit d'autres préoccupations soulevées par l'expression ectopique.

D'autres limitations sont liées à la reproductibilité des systèmes dans des expériences répétitives et à la variabilité inhérente d'un modèle à l'autre, notamment des revers concernant la pureté des cultures dérivées de hiPSC et la présence de populations cellulaires hétérogènes indésirables.210

Ainsi, il est important de prendre en compte l’hétérogénéité des populations cellulaires lors de l’utilisation de modèles de maladie dérivés de hiPSC, en particulier dans le dépistage et l’évaluation de l’efficacité du DMT. De plus, il a été rapporté que les cultures hiPSC présentent une instabilité génomique et sont susceptibles d'acquérir des aberrations et des mutations génétiques au cours de l'expansion et de la reprogrammation cellulaires.211

Des précautions doivent également être prises lors de l'utilisation de lignées isogéniques générées par diverses techniques d'édition du génome, car des effets potentiels hors cible peuvent se produire (par exemple, variabilité clonale involontaire entre les lignées isogéniques et mutagenèse hors cible).212,213 Par conséquent, il est important d'évaluer périodiquement la stabilité génomique des hiPSC pour garantir un dépistage DMT rigoureux.

Défis liés à la récapitulation de la physiopathologie et des phénotypes cellulaires des NDD sporadiques

La complexité des NDD et le manque de caractérisation complète et de compréhension mécaniste de leurs phénotypes cellulaires posent des défis dans la capacité à les récapituler avec des modèles cellulaires, y compris des systèmes basés sur hiPSC.

Les causes des TDN sont complexes et multifactorielles, incluant des facteurs de risque polygéniques (c'est-à-dire plusieurs gènes et variantes), des marques épigénétiques, le vieillissement, le sexe et des facteurs environnementaux, tels que les déclencheurs du stress oxydatif, dont certains sont difficiles à induire, en particulier dans une liste interminable de divers facteurs. combinaisons, dans un système de laboratoire.

De plus, la majorité des modèles AD-PD dérivés de hiPSC proviennent de patients présentant des mutations familiales qui ne représentent qu'une très faible proportion de l'ensemble des cas.214,215 Étant donné que les mécanismes qui sous-tendent les formes familiales et sporadiques peuvent être distincts, il est nécessaire d'établir des modèles dérivés de hiPSC et fibroblastes obtenus à partir de patients atteints de MA ou de MP sporadique.

Dans ce but, des initiatives de dépôts de cellules de patients ont vu le jour ces dernières années ; il s'agit notamment de Applied StemCell (ASC), du California Institute for Regenerative Medicine (CiRA), du Cedars Sinai Induced Pluripotent Stem Cell Core, de la Banque européenne pour les cellules souches pluripotentes induites (EBiSC), de la Banque nationale coréenne de cellules souches (KSCB), de l'Institut national du vieillissement (NIA) , Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux (NINDS), Institut national des sciences médicales générales (NIGMS) et Institut de recherche WiCell (WiCell) (Tableau S2).

La croissance attendue de ces collections facilitera l'établissement de modèles dérivés de hiPSC, plus adaptés à la recherche sur la maladie de Parkinson commune et sporadique.

Néanmoins, les modèles hiPSC dérivés de patients sporadiques NDD produisent des phénotypes cellulaires appropriés caractéristiques de AD181 et PD216 lors de manipulations environnementales, telles que l'exposition à des neurotoxines et l'induction chimique du stress oxydatif.

En outre, une étude récente a révélé des altérations de l’expression des protéines mitochondriales et un stress oxydatif élevé dans les hiPSC générées par les patients atteints de MA, malgré un manque marqué de pathologie Ab et tau,217 suggérant que les modèles hiPSC pourraient révéler des informations précieuses sur la physiopathologie nuancée spécifique aux sous-types sporadiques de NDD.

En outre, une étude récente de Meyer et al.218 a utilisé des hiPSC dérivées de patients atteints de sAD et a découvert que MAPT, codant pour la protéine tau, était significativement augmenté dans les cellules dérivées de sAD par rapport aux témoins sains.

Ainsi, malgré ces défis, les modèles actuels dérivés de l'hiPSC sont d'excellents substituts qui offrent la possibilité d'imiter la physiopathologie de la maladie et d'établir des caractéristiques de référence de la maladie avec les fondements génétiques complets chez les patients sporadiques, qui peuvent être exploitées comme mesures de résultats pour améliorer les modèles de maladie ultérieurs.

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