Txoj Kev Kom Txhim Kho Kev Kawm Ua Ntej Ntawm Cov Hnub Nyoog Txog Cov Kab Mob Neurodegenerative: Ib Qhov Kev Pom Zoo Ntawm Cov Tsiaj Thiab HiPSC-Drived Models Part 5

Qhov zoo ntawm hiPSC-Drived Cellular Systems thiab Kab MobModels

Txhim kho Kab Mob Modeling thiab Tshuaj-Discovery Platforms

Lub peev xwm rau hiPSC-raws li nyob rau hauv vitro qauv yuav qhia tau zoo heev rau NDDs nrog ib tug tib neeg genetic tivthaiv soj ntsuam yog siab.

Kev sib raug zoo ntawm tib neeg caj ces thiab kev nco yog ib qho teeb meem sib tham ntau, tshwj xeeb tshaj yog nyob rau hauv lub neej niaj hnub no, uas peb tsom mus rau kev loj hlob ntawm tus kheej thiab kev kawm. Txawm hais tias peb cov ntaub ntawv caj ces txiav txim siab peb cov yam ntxwv tseem ceeb thaum yug los, kev nco yog txawv ntawm cov yam ntxwv ruaj khov xws li peb qhov siab thiab xim ntawm daim tawv nqaij. Hloov chaw, nws tuaj yeem cog thiab txhim kho, thiab nws ua lub luag haujlwm tseem ceeb hauv lub neej txhua hnub.

Ua ntej tshaj plaws, kev tshawb fawb tshawb fawb pom tau tias kev nco tsis ncaj qha rau cov noob caj noob ces. Txawm hais tias qee tus neeg yug los ntse dua lwm tus, nyob rau lub sijhawm ntev, kev nco yuav maj mam txhim kho los ntawm kev kawm thiab kev cog qoob loo. Hauv peb txoj kev kawm los ntawm tsev kawm theem qis mus rau tsev kawm ntawv qib siab, peb yuav tsum siv thiab txhim kho peb lub cim xeeb los txhim kho peb txoj kev kawm. Piv txwv li, peb nco qab txog cov teeb meem thiab kev daws teeb meem los ntawm kev rov xyuas dua thiab xyaum ua, uas yuav pab ua kom peb lub peev xwm nco tau.

Qhov thib ob, txoj kev ua neej noj qab nyob zoo kuj pab peb nco ntau heev. Kev noj qab haus huv lub cev muaj txiaj ntsig zoo thiab cuam tshuam rau kev nco, xws li kev pw tsaug zog txaus, noj zaub mov zoo, thiab kev tawm dag zog me ntsis. Peb pib nrog peb tus kheej lub cev thiab noj qab haus huv los ntawm kev tawm dag zog thiab kev noj qab haus huv ntawm lub neej, uas yuav ua rau peb nco tau meej thiab ntse dua.

Thaum kawg, peb tseem tuaj yeem nthuav peb lub peev xwm nco tau los ntawm kev nthuav dav peb lub qab ntug thiab koom nrog ntau yam tshiab. Piv txwv li, peb tuaj yeem sim kawm hom lus tshiab thiab koom nrog hauv kev sib raug zoo xws li kev mus ncig, thiab cov kev paub no tuaj yeem tsim kev nco ntau dua hauv peb lub siab.

Nyob rau hauv luv luv, kev sib raug zoo ntawm tib neeg caj ces thiab kev nco yog complex thiab ntau haiv neeg, thiab ntawm chav kawm, yuav muaj sib txawv sib txawv raws li tus kheej genetic sib txawv. Tab sis peb yuav tsum tsis txhob hnov ​​​​qab txog yam peb tuaj yeem ua tau: txhim kho peb lub cim xeeb thiab kev tswj hwm tus kheej los ntawm kev kawm tas mus li, kev noj qab haus huv, thiab nthuav peb lub qab ntug tas li yog txoj hauv kev zoo tshaj plaws rau peb kom kov yeej kev sib txawv ntawm caj ces. Nws tuaj yeem pom tau tias peb yuav tsum txhim kho peb lub cim xeeb, thiab Cistanche tuaj yeem txhim kho kev nco zoo vim Cistanche yog cov tshuaj suav tshuaj suav nrog ntau yam tshwj xeeb, ib qho ntawm kev txhim kho kev nco. Kev ua tau zoo ntawm Cistanche los ntawm nws cov khoom xyaw ntau yam, suav nrog tannic acid, polysaccharides, flavonoid glycosides, thiab lwm yam. Cov khoom xyaw no tuaj yeem txhawb lub hlwb kev noj qab haus huv ntau txoj hauv kev.

Nyem Paub txhawm rau txhim kho lub cim xeeb luv luv

Lub peev xwm los txheeb xyuas NDD tus neeg sib tw cov noob rau cellularphenotypes, xws li RNA thiab cov protein qhia profiles, kev hloov morphological, thiab biochemical kos npe nyob rau hauv hiPSC-derived hlwb, pab txoj kev tshawb fawb txog seb tib neeg caj ces ntawm complex NDDs, xws li AD thiab PD, tau hais rau qib cellular.

Ntxiv mus, hiPSCs tso cai rau kev koom ua ke ntawm geneticcomplexity ntawm tus neeg mob caj ces keeb kwm yav dhau los hauv tus qauv, uas feem ntau tsis pom zoo (xws li cov qauv tshuaj) lossis oversimplified (xws li, monogenetic variant tsiaj qauv).

Nws tau lees paub tias qhov pib, kev loj hlob, thiab qhov hnyav ntawm neurodegeneration yog txiav txim siab los ntawm cov caj ces nyuaj thiab kev sib cuam tshuam ntawm ntau yam kab mob sib txawv nrog cov teebmeem me me.

Qhov no innate geneticlandscape ntes nyob rau hauv tus neeg mob-los ntawm cov qauv hiPSC tso cai rau peb tshawb nrhiav caj ces determinants thiab biological yam tseem ceeb, ua ke nrog lub peev xwm los tsim modular, high-fidelity nyob rau hauv vitro NDDmodels, los tsim raws li peb tam sim no to taub ntawm diseasebiology.hiPSC technology tam sim no sawv cev rau tib neeg muaj. -raws li qauv nyob rau hauv uas tag nrho cov genetic toj roob hauv pes ntawm cov neeg mob raug ntes.

Tsis tas li ntawd, muaj peev xwm siv cov genome-editing thev naus laus zis, xws li CRISPR-Cas9, siv hiPSCs tau ua rau cov qauv ntawm isogenic rau kev ntsuam xyuas ntawm cov noob caj noob ces sib txawv. Ntxiv nrog rau kev ua kom muaj peev xwm, hiPSCs yog tus kheej txuas ntxiv.

Yog li, cov qauv tsim los ntawm hiPSC nthuav tawm qhov kev cog lus ua ntej rau kev tshawb fawb ua ntej. Ntxiv mus, tib neeg kev sib txawv ntawm cov noob caj noob ces raug ntes nyob rau hauv cov neeg mob uas tau txais hiPSCcapacity ua rau lawv tsim nyog rau kev ntsuam xyuas ntawm "personalizedmedicine" mus kom ze.

Lub peev xwm los tshuaj xyuas tus kheej zoo rau cov kev kho mob thiab txheeb xyuas cov neeg tsis teb lossis cov neeg teb tsis zoo ua ntej kev tswj hwm hauv qhov chaw kho mob ntxiv hais txog qhov tsim nyog ntawm hiPSC-los ntawm cov qauv rau kev soj ntsuam ua ntej (Daim duab 2).

Sib sau ua ke, cov ntaub ntawv muaj peev xwm tsim los ntawm kev tshawb fawb ua ntej hauv cov qauv hiPSC yog qhov muaj zog, muaj feem cuam tshuam rau tib neeg cov ntsiab lus, thiab tseem ceeb rau kev siv hauv kev tsim kho mob (xws li, stratification ntawm cov kev kawm) los txhim kho qhov tseeb ntawm cov txiaj ntsig.

Overcoming Limits ntawm Tsiaj Qauv

hiPSCs muab txoj hauv kev los daws ntau yam teeb meem tam sim no hauv cov qauv tsiaj txhu tam sim no, raws li tau tham yav dhau los. Ua ntej, iPS-derived qauv muab ib tug tib neeg-raws li platform rau kev ntsuam xyuas muaj peev xwm kho nyob rau hauv qhov tseeb genetic toj roob hauv pes ntawm humandisease.

Thib ob, los ntawm kev muab cov hlwb los ntawm cov neeg mob, ntau yam teeb meem txog txoj hauv kev zoo tshaj plaws los ua qauv tib neeg cov kab mob hloov pauv tau hla vim tias tus qauv muaj cov cim keeb kwm ntawm tus neeg mob. Thib peb, cov hlwb hiPSC tau yooj yim nkag mus rau kev tshuaj ntsuam genetic thiab pharmacological manipulation, ua kom muaj kev ua haujlwm siab ntawm cov qauv thiab kev ua haujlwm uas ntsuas tus kab mob phenotype.

Txog qhov kawg no, peb nyuam qhuav tsim ib tus qauv hiPSC-derived DA neuronal tau los ntawm tus neeg mob PD nrog SNCA triplication los ntsuam xyuas tag nrho-hauv-ib LV GT tsom rau txo SNCA qib. Peb qhov kev cuam tshuam LV tau ua tiav txo qis SNCA qib thiab cawm cov kab mob ntsig txog phenotypes los ntawm reactive oxidativespecies (ROS) tiam thiab khaws cia ntawm cellular viability.140

Plaub, piv nrog tus qauv nas tus qauv, tiam ntawm cov qauv ntawm vitro hiPSC-raws li cov qauv tuaj yeem ua tiav nyob rau hauv lub sijhawm luv luv, nyob rau hauv kev txiav txim ntawm 30 hnub as opposed to animalmodels that can range wide from months mus rau xyoo.

Thib tsib, thiab ua raws li cov ntsiab lus dhau los, cov qauv hiPSC-raws li cov qauv siv nyiaj tsawg thiab siv zog ntau dua li cov qauv nas, tshwj xeeb tshaj yog thaum xav txog kev tu tsiaj tu vaj tu tsev thiab kev tsim vaj tsev, kev cai, nrog rau kev cob qhia thiab kev ua raws cai. Kev txhim kho kev lag luam kev lag luam tus kab mob ua rau nce kev nkag mus rau cov pab pawg tshawb fawb los ntsuas cov tshuaj kho mob txhim kho kev txhais lus thiab thaum kawg txhim kho DMT kev txhim kho efficiency.202

Ua ke, cov txiaj ntsig zoo no muab cov qauv muab los ntawm HiPSC qhov zoo sib xws hauv kev tshawb fawb ntawm neurodegeneration, thiab cov qauv zoo li no muaj peev xwm los tsim cov kev tshawb pom tshiab uas tsis tuaj yeem nkag mus rau hauv kab lis kev cai ntawm tes yav dhau los thiab kab mob tsiaj.

Cov kev tshawb fawb tshuaj xyuas ntawm no qhia txog qhov tsim nyog thiab muaj txiaj ntsig ntawm kev koom ua ke ntawm 2D thiab 3D hiPSC-raws li qauv hauv NDD cov kev tshawb fawb txog kev qhia txog cov xwm txheej cuam tshuam txog kab mob thiab kab mob pathogenic, nrog rau hauv kev txhais lus thiab kev tshawb nrhiav tshuaj, xws li kev kho mob lub hom phiaj kev txheeb xyuas thiab siv tau. .

Ua ke, hiPSC-los ntawm NDD cov qauv sawv cev rau kev nce qib hauv kev tshawb fawb kho mob los ntawm kev txhim kho tus qauv kab mob uas ua tau zoo, nrog cov kev sim luv luv uas tau txais txiaj ntsig zoo thiab tej zaum tseem ceeb tshaj plaws, raug thiab tsim nyog rau kev ua qauv ntawm tib neeg cov kab mob.

Daim duab 2. Schematic of Improved DMT Drug-Development Pipeline for NDDs through Encorporation and/or replaced of hiPSC-Derived ModelsDevelopment of any putative DMT start with the discovery phase, which encompasses two identification of pertinent gene targets and mechanisms of disease.

Cov qauv kab mob tom ntej no tau tsim nyob rau theem pib ua ntej los tshawb txog kab mob cellular pathophysiology thiab siv tau cov hom phiaj tshuaj, nrog rau kev tshuaj xyuas ntxov thiab kev ua kom zoo ntawm CGT-IPs / DMTs thaum ntxov. Kev loj hlob ntawm DMTs, suav nrog kev txhim kho tus qauv ntxiv thiab kev siv lub hom phiaj, nrog rau kev tshawb nrhiav rau cov txiaj ntsig tsis zoo, tshwm sim thaum nruab nrab-preclinical theem.

Raws li DMT vam meej, cov ntaub ntawv ntxiv hais txog cov tshuaj pharmacokinetic thiab pharmacodynamic kev ua haujlwm tau txais nyob rau theem latepreclinical. Kev siv ntau dua ntawm cov qauv tsim los ntawm hiPSC hauv cov theem no sawv cev rau kev txhim kho zoo nkauj rau cov kav dej tsim tshuaj uas twb muaj lawm rau ntau qhov laj thawj; uas yog, lawv tau txais txiaj ntsig zoo, muaj ntau yam, thiab qhov tseem ceeb tshaj plaws, kov yeej ntau yam kev txwv hauv lub cev ntawm tus qauv tsiaj uas twb muaj lawm ntawm NDDs.

Nyob rau theem no, INDapplications tej zaum yuav raug xa mus rau putative DMTs, uas tam sim no muaj 4 lub hom phiaj tseem ceeb uas yuav tsum tau ntsib nrog ib tug tshiab DMT, tshwj xeeb tshaj yog CGT-IPs: (1) targetselection, (2) lead compound development and optimization, (3) pib thiab escalating dosing regimen, thiab (4) tsim kom muaj peev xwm thiab ROA.

Txhua yam ntawm cov no tuaj yeem ua kom raug thiab tsim nyog nrog kev hloov ntawm hiPSC-raws li qauv hauv cov kev tshawb fawb preclinical. DMTs tuaj yeem tau txais kev pom zoo los ntawm FDA los pib kev sim tshuaj.

Kev koom ua ke ntawm cov qauv ntawm hiPSC-raws li nyob rau theem 1a ntxiv tuaj yeem suav nrog, uas pab txhawb kev txhim kho cov neeg sib tw tshuaj ntsuam xyuas nyob rau theem kev nrhiav neeg ua haujlwm thiab kev txheeb xyuas cov neeg tsis muaj peev xwm tsis teb lossis cov neeg teb tsis zoo raws li kev tshawb fawb txog caj ces.

DMTs nrog pom kev nyab xeeb nyob rau theem 1a tom qab ntawd nce mus txog theem 1, 2, thiab 3 kev sim tshuaj kho mob, tom qab ntawd, cov uas muaj txiaj ntsig zoo tau txais kev pom zoo los ntawm New Drug Application (NDA) thiab raug tso tawm rau cov neeg siv khoom siv txuas ntxiv mus rau cov kws kho mob txhawm rau txheeb xyuas ib qho kev tsis pom yav dhau los. Cov txiaj ntsig tsis zoo nyob rau lub sijhawm.

Cov kev txwv ntawm hiPSC-Drived hauv Vitro ModelsTime thiab Reproducibility

Cov culturing technologies ntawm hiPSCs tau tshwm sim nyob rau hauv kaum xyoo dhau los, thiab lawv cov nqi hluav taws xob rau cov qauv kab mob thiab kev ntsuam xyuas preclinical ofputative DMTs yog qhov tshiab.

Ib yam li cov thev naus laus zis tshiab, ntau qhov kev txwv yuav tsum tau txiav txim siab thaum sim ua kom rov tsim kho cov yam ntxwv lom neeg ntawm NDDs. Ua ntej thiab qhov tseem ceeb tshaj plaws, kev cog qoob loo ntawm hiPSCs thiab tsim cov qauv ntawm tes uas raug thiab txhim khu kev qha tuaj yeem kim, siv zog ua haujlwm, thiab siv sijhawm ntev. Qhov nruab nrab, nws raug nqi $10,000 txog USD 25,000 kom siv tau cov kab hiPSC ntawm tus qauv tsim nyog rau kev tshawb fawb kho mob.203

Cov txheej txheem ntawm reprogramming, sib txawv, thiab maturation yog ncua ntev. Cellular reprogramming ntawm cov ntaub so ntswg pib rau hauv hiPSCs yuav siv sij hawm tsawg kawg yog 20 mus rau 30 hnub, 151 thiab cov cellular sib txawv thiab kev loj hlob tuaj txawv nyob ntawm seb hom cellular xav tau thiab txoj kev siv; Piv txwv li, tiam ntawm cov laus neurons, astrocytes, thiab microgliacan yuav tsum tau nyob qhov twg los ntawm 6 mus rau 15 lub lis piam, 204 4 mus rau 9 lub lis piam, 205,206 los yog 5 mus rau 9 lub lis piam, 164,207 feem.

Raws li qhov tshwm sim, cov kws tshawb fawb feem ntau nyiam siv cov hlwb progenitor ua cov nruab nrab ruaj khov rau kev sim, vim tias lawv yog tus sawv cev dav dav ntawm lub hom phiaj celltype thiab tuaj yeem tsim nyob rau hauv lub sijhawm nrawm dua.204 Yog li, lub sijhawm txwv thiab cov nqi tsim nyog rau kev tsim lub hiPSCmodel system yuav nthuav tawm kev txhawj xeeb rau ntau pawg tshawb fawb.

Tsis tas li ntawd, lub sij hawm xav tau rau kev txhim kho cov kab mob tseem ceeb ntawm cov kab mob sib txuas ntawm cov kab mob hauv cov kab mob hiPSC-derived kuj tseem yog ib qho kev xav hauv kev ua qauv NDDs. Whereas nws yuav siv sij hawm ntau xyoo ntawm tus neeg mob lub neej los nthuav tawm cov tsos mob thiab cov kab mob pathological, cov kab mob ntsig txog cov kab mob molecular phenotypes hauv cov qauv hiPSC-derived tau tshawb pom txog 2 lub hlis tom qab kev loj hlob.208

Txawm li cas los xij, qhov kev txwv tsis pub dhau los ntawm kev txwv lub neej ntawm hiPSC-based qauv inculture uas tej zaum yuav tsis txaus rau kev tsim cov duab tiav zoo li tus kab mob ntawm cov cellular thiab cov ntaub so ntswg.

Cov tswv yim tsim los ntawm kev nthuav tawm cov txheej txheem sib txawv thiab kev loj hlob, xws li kev koom ua ke ntawm Notch thiab g-secretase inhibitors toshorten maturation time, 209 thiab neurogenin -2 (Ngn2) los yog NeuroD1overexpression158 tau ua tiav ib nrab thiab qhia txog kev txhawj xeeb los ntawm ectopic expression.

Lwm qhov kev txwv yog cuam tshuam txog kev rov tsim dua tshiab ntawm cov kab ke hauv kev sim rov ua dua thiab qhov hloov pauv ntawm tus qauv-rau-tus qauv, suav nrog kev poob qis txog kev coj dawb huv ntawm hiPSC-los ntawm kab lis kev cai thiab qhov muaj qhov tsis zoo ntawm cov neeg ntawm cov cellular heterogeneous.210

Yog li, nws yog ib qho tseem ceeb uas yuav tsum suav nrog kev sib txawv ntawm cov neeg hauv xov tooj thaum siv cov qauv ntawm cov kab mob hiPSC, tshwj xeeb hauv kev tshuaj ntsuam DMT thiab kev ntsuas kev ua tau zoo. Tsis tas li ntawd, hiPSC kab lis kev cai tau raug tshaj tawm los nthuav tawm genomic instability thiab muaj feem yuav kis tau cov caj ces aberrations thiab kev hloov pauv thaum lub sij hawm cellular expansion thiab reprogramming.211

Kev saib xyuas kuj tseem yuav tsum tau ua nyob rau hauv kev siv cov kab ntawm isogenic tsim los ntawm ntau yam genome-editing cov tswv yim, raws li qhov muaj peev xwm tawm ntawm lub hom phiaj tuaj yeem tshwm sim (xws li, tsis xav tau clonal variability across isogenic kab thiab off-target mutagenesis). genomic stability ntawm hiPSCs kom nruj DMT tshuaj ntsuam xyuas.

Cov Kev Sib Tw hauv Recapitulating Sporadic NDD Pathphysiology thiab Cellular Phenotypes

Qhov nyuaj ntawm NDDs thiab qhov tsis muaj kev paub txog tus yam ntxwv thiab kev nkag siab ntawm cov txheej txheem ntawm lawv cov cellular phenotypes posechallenges nyob rau hauv lub peev xwm los recapitulate lawv nrog cellular qauv, nrog rau cov hiPSC-raws li systems.

Qhov ua rau ntawm NDDs yog complex thiab multifactorial, suav nrog polygenic txaus ntshai yam (piv txwv li, multiplegenes thiab variants), cov cim epigenetics, kev laus, poj niam txiv neej, thiab ib puag ncig, xws li oxidative stress triggers, qee qhov nyuaj toinduce, tshwj xeeb hauv cov npe tsis muaj qhov kawg ntawm ntau yam. kev sib xyaw ua ke, nyob rau hauv ib qho chaw kuaj mob.

Tsis tas li ntawd, feem ntau ntawm hiPSC-derived AD-PDmodels yog muab los ntawm cov neeg mob uas muaj kev hloov hauv tsev neeg uas sawv cev rau ib feem me me ntawm tag nrho cov xwm txheej.214,215 Txij li cov txheej txheem txhawb nqa tsev neeg piv rau cov ntaub ntawv tsis sib xws yuav tsum tau tsim cov qauv tsim los ntawm hiPSCsand fibroblasts tau los ntawm sAD lossis PD cov neeg mob.

Mus rau lub hom phiaj no, kev pib ntawm cov neeg mob cov chaw khaws cia ntawm tes tau tshwm sim xyoo tsis ntev los no; Cov no suav nrog Applied StemCell (ASC), California Lub Koom Haum rau Cov Tshuaj Kho Dua Tshiab (CiRA), Cedars Sinai Induced Pluripotent Stem Cell Core, European Bank for Induced Pluripotent StemCells (EBiSC), Korean National Stem Cell Bank (KSCB), NationalInstitute of Aging (NIA) , National Institute of Neurological Disordersand Stroke (NINDS), National Institute of General Medical Sciences (NIGMS), thiab WiCell Research Institute (WiCell) (Table S2).

Qhov kev cia siab ntawm kev loj hlob ntawm cov kev sau no yuav pab txhawb kev tsim cov qauv ntawm hiPSC-los ntawm cov qauv tsim nyog rau kev tshawb fawb ntawm sADand sporadic PD.

Txawm li cas los xij, cov qauv hiPSC tau txais los ntawm cov neeg mob NDD uas tsim nyog tsim cov cellular phenotypes tus yam ntxwv ntawm AD181 thiab PD216 raws li kev tswj hwm ib puag ncig, xws li raug rau neurotoxins thiab tshuaj lom neeg induction ntawm oxidative kev nyuaj siab.

Tsis tas li ntawd, kev tshawb fawb tsis ntev los no tau qhia txog kev hloov pauv hauv mitochondrial protein qhia thiab nce oxidative kev nyuaj siab hauv hiPSCs tsim los ntawm cov neeg mob sAD, txawm tias tsis muaj cov cim qhia ntawm Ab thiab tau pathology, 217 qhia tias cov qauv ntawm mitochondrial tuaj yeem qhia qhov muaj txiaj ntsig zoo rau hauv cov nuanced pathophysiology tshwj xeeb rau sporada NDD subtypes.

Tsis tas li ntawd, kev tshawb fawb tsis ntev los no los ntawm Meyer et al.218 tau siv cov hiPSCs los ntawm cov neeg mob sAD thiab pom tias MAPT, encoding tau protein ntau, tau nce ntau hauv sAD-los ntawm cov hlwb piv rau kev noj qab haus huv.

Yog li, txawm hais tias cov kev cov nyom no, cov qauv hiPSC-los ntawm cov qauv tam sim no yog cov neeg ua haujlwm zoo tshaj plaws uas muab lub sijhawm los ua cov kab mob pathophysiology thiab tsim kom muaj cov kab mob kub-txheej txheem nrog cov kev ua tiav ntawm cov noob caj noob ces nyob rau hauv cov neeg mob tsis sib xws, uas tuaj yeem siv cov txiaj ntsig kev ntsuas los txhim kho cov kab mob tom ntej.

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