加齢に伴う神経変性疾患の前臨床研究の進歩への道: げっ歯類および HiPSC 由来モデルに関する展望 パート 5
Jul 10, 2024
hiPSC 由来細胞システムと疾患モデルの利点
疾患モデリングと創薬プラットフォームの改善
hiPSC ベースの in vitro モデルは、ヒトの遺伝的成分を調査する NDD にとって非常に有益である可能性が高くなります。
人間の遺伝学と記憶の関係は、特に個人の成長と学習に重点を置く現代社会において、よく議論される問題です。出生時の基本的な特徴は遺伝情報によって決まりますが、記憶は身長や肌の色などの固定的な特徴とは異なります。むしろ、それは育成し改善することができ、日常生活において重要な役割を果たします。
まず第一に、科学的研究は、記憶が遺伝遺伝子と直接関係していないことを示しています。生まれながらにして他の人より賢い人もいますが、長期的には、学習と育成を通じて記憶力を徐々に向上させることができます。小学校から大学までの学習プロセスでは、学力を向上させるために常に記憶力を活用し、改善する必要があります。たとえば、繰り返しの復習と練習を通じて問題と解決策を記憶し、記憶力を鍛えるのに役立ちます。
次に、健康的なライフスタイルも記憶力に大きく役立ちます。十分な睡眠、健康的な食事、適度な運動など、身体の健康は記憶力に大きな影響を与えます。私たちは自分の体から始めて、運動と健康的なライフスタイルを通じて健康を維持し、それによって記憶がより鮮明で鮮明になります。
最後に、常に視野を広げ、さまざまな新しいことに参加することで、記憶力を高めることもできます。たとえば、新しい言語を学習したり、旅行などの社会的活動に参加したりすると、これらの経験が心の中にさらに多くの思い出を生み出すことができます。
つまり、人間の遺伝学と記憶の関係は複雑かつ多様であり、当然、個人の遺伝的違いに基づいて対応する違いが存在します。しかし、私たちにできることを無視すべきではありません。継続的な学習、健康的な生活、絶えず視野を広げることによって記憶力と自己管理能力を向上させることが、私たちにとって遺伝的違いを克服する最善の方法です。私たちは記憶力を改善する必要があることがわかります。そして、シスタンケは多くのユニークな効果を持つ伝統的な漢方薬であり、そのうちの1つは記憶力を改善することであるため、カンシタンケは記憶力を大幅に改善することができます。シスタンケの効能は、タンニン酸、多糖類、フラボノイド配糖体などを含むさまざまな有効成分によってもたらされます。これらの成分は、さまざまな方法で脳の健康を促進します。
NDD 候補遺伝子を、hiPSC 由来細胞における RNA やタンパク質の発現プロファイル、形態学的変化、生化学的特徴などの細胞表現型と相関させる能力により、AD や PD などの複雑な NDD のヒト遺伝的構成要素が細胞内でどのように発現するかに関する研究が容易になります。細胞レベル。
さらに、hiPSC は、しばしば否定されたり (例、化学モデル)、過度に単純化されたり (例、単一遺伝子変異動物モデル) される、根底にある患者の遺伝的背景の遺伝的複雑性をモデルに組み込むことを可能にします。
神経変性の発症、進行、重症度は、複雑な遺伝的要因と、比較的影響が小さいいくつかの遺伝子変異の相互作用によって決定されることはよく知られています。
患者由来の hiPSC モデルで捉えられたこの生来の遺伝的景観により、遺伝的決定因子と生物学的因子を調査し、モジュール式の高忠実度 in vitro NDD モデルを生成する能力と組み合わせて、疾患生物学の現在の理解を基礎にすることができます。hiPSC テクノロジーは現在利用可能な唯一のヒトの技術です。患者の完全な遺伝的状況を捉えるベースのモデル。
また、hiPSC を使用した CRISPR-Cas9 などのゲノム編集技術の適用可能性により、正確な遺伝的変異を評価するための同質遺伝子モデルの生成が可能になりました。スケーラビリティに加えて、hiPSC は自己再生可能です。
したがって、hiPSC 由来のモデルは、前臨床研究のための最前線の有望なシステムを提示します。さらに、患者由来の hiPSCcapacity で捉えられたヒトの遺伝的多様性により、それらは「個別化医療」アプローチの評価に適しています。
治療に対する個々の反応を効果的にスクリーニングし、臨床現場での投与前に非反応者または反応不良者を特定できることにより、hiPSC 由来モデルが前臨床評価に適していることがさらに強調されます (図 2)。
まとめると、hiPSC モデルにおける前臨床研究を通じて生成される潜在的な情報は堅牢で、ヒト被験者に関連しており、結果の精度を向上させるために臨床試験の設計 (例、研究被験者の階層化) に実装するのに不可欠です。
動物モデルの限界を克服する
hiPSC は、前述したように、現在の動物ベースのモデルに存在する多くの問題を克服する方法を提供します。まず、iPS 由来モデルは、ヒトの病気の実際の遺伝的状況における潜在的な治療法を評価するためのヒトベースのプラットフォームを提供します。
第二に、モデルには患者の固有の遺伝的背景が含まれているため、患者から細胞を取得することにより、ヒトの疾患の突然変異をモデル化する最良の方法に関する多くの技術的問題が回避されます。第三に、hiPSC 細胞は遺伝子操作および薬理学的操作に簡単にアクセスできるため、疾患の表現型を評価するハイスループットの構造および機能アッセイが可能になります。
この目的のために、我々は最近、SNCAレベルの低下を目的としたオールインワンLV GTを評価するために、SNCA三重重複を有するPD患者から得られたhiPSC由来DAニューロンモデルを開発した。私たちの LV 介入は、反応性酸化種 (ROS) の生成と細胞生存率の維持を通じて SNCA レベルを低下させ、疾患関連の表現型を回復することに成功しました。140
第四に、標準的なげっ歯類モデルと比較して、in vitro hiPSC ベースのモデルの生成は、数か月から数年にわたる動物モデルとは対照的に、30 日程度という大幅に短いタイムラインで達成できます。
第 5 に、前の点と同様に、特に継続的な動物の飼育義務とインフラストラクチャ、規制、およびトレーニングとコンプライアンスの要件を考慮すると、hiPSC ベースのモデルはげっ歯類のモデルよりもかなり安価でエネルギー消費も少なくなります。前臨床疾患モデリングの経済性がますます高まることで、研究グループが推定治療法を評価するためのアクセスが容易になり、翻訳可能性が向上し、最終的には DMT 開発効率が向上します。202
まとめると、これらの利点は、神経変性の研究において PSC 由来モデルに明確な利点を与え、そのようなモデルは、以前の細胞培養モデルや動物疾患モデルではアクセスできなかった新しい発見を生み出す可能性を持っています。
ここでレビューした研究は、病気の原因や病原経路に関与する因子を解明するNDD機構研究、さらには治療標的の同定や検証などのトランスレーショナル研究や創薬研究において、2Dおよび3DのhiPSCベースのモデルを組み込む必要性と価値を実証しています。 。
総合すると、hiPSC 由来の NDD モデルは、費用対効果が高く、おそらく最も重要なのは正確でヒトの疾患のモデリングに適した比較的短い実験で、かなり実現可能な疾患モデリングの改善による医学研究の飛躍的な前進を示しています。
図 2. hiPSC 由来モデルの組み込みの増加および/または代替による NDD 向けの改善された DMT 医薬品開発パイプラインの概略図 推定上の DMT の開発は、関連する遺伝子標的と疾患のメカニズムの両方の同定を含む発見段階から始まります。
その後の疾患モデルは、初期の前臨床段階で考案され、細胞疾患の病態生理学を調査し、薬剤標的を検証するだけでなく、初期の CGT-IP/DMT の早期スクリーニングと最適化を行います。さらなるモデル開発やターゲットの検証、オフターゲット効果の調査などの DMT の漸進的な開発は、前臨床中期に行われます。
DMT が進行するにつれて、前臨床後期には薬物動態学的および薬力学的活性に関するさらなる情報が得られます。これらの段階での hiPSC 由来モデルの使用の増加は、いくつかの理由により、既存の医薬品開発パイプラインに対する魅力的な改善を示しています。すなわち、それらは費用対効果が高く、多用途であり、そして最も重要なことに、NDD の既存の動物モデルに固有の制限の多くを克服します。
この段階では、推定 DMT に対して IND 申請を提出することができます。これには現在、新興 DMT、特に CGT-IP で満たさなければならない 4 つの重要な目標が含まれています: (1) 標的の選択、(2) リード化合物の開発と最適化、(3) 初期(4) 実現可能性と ROA の確立。
これらのそれぞれは、前臨床研究で hiPSC ベースのモデルを置き換えることで正確かつ適切に対処できます。その後、DMT は臨床試験を開始するために FDA の承認を受けることができます。
追加のフェーズ 1a に hiPSC ベースのモデルを組み込むことが含まれる場合があり、これにより、リクルートフェーズにおける候補者スクリーニングの改善と、前臨床遺伝学的研究に基づく潜在的な非応答者または応答不良者の同定が容易になります。
フェーズ 1a で安全性が証明された DMT は、フェーズ 1、2、および 3 の臨床試験を経て、その後、重大なプラスの効果が認められた DMT が新薬申請 (NDA) 規制当局の承認を受け、これまでに確認されていないものを特定するための継続的な医薬品安全性監視とともに消費者向けに発売されます。時間の経過とともに有害な結果が生じます。
hiPSC 由来の In Vitro モデルの限界時間と再現性
hiPSC の培養技術は過去 10 年間に出現しましたが、疾患モデリングや推定 DMT の前臨床評価におけるその有用性は比較的新しいものです。
あらゆる新興技術と同様、NDD の生物学的特徴を正確に再現しようとする場合、いくつかの制限を考慮する必要があります。何よりもまず、hiPSC の培養と正確で信頼性の高い細胞モデルの生成には、費用がかかり、労力と時間がかかります。医学研究に適した基準で hiPSC 株を検証するには、平均して 10 ドル 000 から 25 米ドル000 の費用がかかります。203
再プログラミング、分化、成熟のプロセスは長期にわたります。スターター組織から hiPSC への細胞の再プログラミングには少なくとも 20 ～ 30 日かかり 151、その後の細胞の分化と成熟は、望ましい細胞の種類と使用する方法によって異なります。たとえば、成熟ニューロン、アストロ サイト、およびミクログリアカンの生成には、それぞれ 6 ～ 15 週間、204 4 ～ 9 週間、205、206、または 5 ～ 9 週間、164、207 かかります。
その結果、前駆細胞は標的細胞型を広く代表しており、より短い時間枠で生成できるため、研究者は実験のための安定した中間体として前駆細胞の使用を好むことがよくあります 204。多くの研究グループに懸念を与えています。
さらに、hiPSC 由来細胞における主要な疾患関連細胞表現型の発現に必要な時間も、NDD のモデル化における考慮事項となります。患者が臨床症状や病理学的症状を示すまでには数十年かかりますが、hiPSC 由来モデルでは疾患に関連した分子表現型が成熟後約 2 か月で検出されました。208
それにもかかわらず、この制約は培養下でのhiPSCベースのモデルの寿命が限られていることに起因しており、細胞レベルおよび組織レベルで疾患に似た全体像を明らかにするには不十分である可能性があります。
分化と成熟のプロセスを促進することを目的とした戦略、たとえば成熟時間を短縮するための Notch 阻害剤や g-セクレターゼ阻害剤の導入 209、ニューロゲニン-2 (Ngn2) や NeuroD1 の過剰発現 158 などは部分的に成功しており、異所性発現から生じる他の懸念をもたらしました。
その他の制限は、hiPSC 由来培養物の純度や望ましくない異種細胞集団の存在に関する後退など、反復実験におけるシステムの再現性やモデル間の固有のばらつきに関連しています。210
したがって、hiPSC 由来の疾患モデルを使用する場合、特に DMT スクリーニングおよび有効性評価において、細胞集団の不均一性を考慮することが重要です。さらに、hiPSC 培養物はゲノムの不安定性を示し、細胞の増殖と再プログラミング中に遺伝的異常や突然変異を獲得する傾向があることが報告されています 211。
潜在的なオフターゲット効果（同質遺伝子株間での意図しないクローン変異やオフターゲット突然変異誘発など）が発生する可能性があるため、さまざまなゲノム編集技術によって生成された同質遺伝子株の使用にも注意が必要です 212,213。したがって、定期的に評価することが重要です。 hiPSC のゲノム安定性により、厳密な DMT スクリーニングが保証されます。
散発性NDDの病態生理学と細胞表現型を再現する際の課題
NDD の複雑さ、およびその細胞表現型の包括的な特徴付けと機構的理解の欠如により、hiPSC ベースのシステムを含む細胞モデルで NDD を再現する能力に課題が生じています。
NDD の原因は、多遺伝子性危険因子 (つまり、複数の遺伝子と変異体)、エピジェネティックス マーク、老化、性別、酸化ストレス トリガーなどの環境因子など、複雑かつ多因子的であり、その中には誘発することが困難なものもあり、具体的には、さまざまな要因が数え切れないほどあります。実験室システムでの組み合わせ。
さらに、hiPSC 由来の AD-PD モデルの大部分は、症例全体のごく一部にすぎない家族性変異を持つ患者に由来しています。 214,215 家族性型と散発性型を支えるメカニズムは異なる可能性があるため、以下に由来するモデルを確立する必要があります。 sADまたは散発性PD患者から得られたhiPSCおよび線維芽細胞。
この目標に向けて、患者の細胞リポジトリの取り組みが近年現れてきました。これらには、Applied StemCell (ASC)、California Institute for Regenerative Medicine (CiRA)、Cedars Sinai 人工多能性幹細胞コア、欧州人工多能性幹細胞バンク (EBiSC)、韓国国立幹細胞バンク (KSCB)、国立老化研究所 (NIA) が含まれます。 、国立神経疾患・脳卒中研究所（NINDS）、国立総合医科学研究所（NIGMS）、およびWiCell研究所（WiCell）（表S2）。
これらのコレクションの予想される成長により、一般的な sAD および散発性 PD の研究により適した hiPSC 由来モデルの確立が促進されるでしょう。
それにもかかわらず、散発性NDD患者由来のhiPSCモデルは、神経毒への曝露や酸化ストレスの化学的誘導などの環境操作により、AD181およびPD216に特徴的な適切な細胞表現型を生成する。
また、最近の研究では、Ab とタウの病態が顕著に欠如しているにもかかわらず、sAD 患者から生成された hiPSC におけるミトコンドリアタンパク質発現の変化と酸化ストレスの上昇が明らかになり 217 、hiPSC モデルが散発性 NDD サブタイプに特有の微妙な病態生理についての貴重な洞察を明らかにする可能性があることを示唆している。
さらに、Meyerらによる最近の研究218では、sAD患者由来のhiPSCを利用し、タウタンパク質をコードするMAPTが健康な対照と比較してsAD由来細胞で有意に増加していることが判明した。
したがって、これらの課題にもかかわらず、現在のhiPSC由来モデルは、疾患の病態生理学を模倣し、散発性患者における全遺伝的基礎を備えたゴールドスタンダードの疾患特性を確立する機会を提供する優れた代替物であり、その後の疾患モデルを改善するための結果尺度として利用することができる。
For more information:1950477648nn@gmail.com
