연령 관련 신경퇴행성 질환의 전임상 연구 진행 경로: 설치류 및 HiPSC 유래 모델에 대한 관점 5부
Jul 10, 2024
hiPSC 유래 세포 시스템 및 질병 모델의 장점
향상된 질병 모델링 및 약물 발견 플랫폼
hiPSC 기반 시험관 내 모델이 인간 유전 성분 조사를 통해 NDD에 대해 매우 유익한 정보를 제공할 가능성이 높습니다.
인간 유전학과 기억의 관계는 특히 개인 발달과 학습에 중점을 두는 현대 사회에서 많이 논의되는 문제입니다. 유전 정보가 출생 시 기본 특성을 결정하지만 기억력은 키나 피부색과 같은 고정된 특성과 다릅니다. 대신에 배양되고 개선될 수 있으며 일상생활에서 중요한 역할을 합니다.
우선, 과학적 연구에 따르면 기억은 유전 유전자와 직접적인 관련이 없습니다. 어떤 사람들은 다른 사람들보다 더 똑똑하게 태어나지만 장기적으로 기억력은 학습과 계발을 통해 점차 향상될 수 있습니다. 초등학교부터 대학교까지의 학습 과정에서 우리는 학업 성적을 향상시키기 위해 기억력을 지속적으로 사용하고 향상시켜야 합니다. 예를 들어, 반복적인 복습과 연습을 통해 문제와 해결책을 기억하게 되는데, 이는 기억력을 발휘하는 데 도움이 됩니다.
둘째, 건강한 생활 방식은 기억력에도 많은 도움이 됩니다. 신체 건강은 적절한 수면, 건강한 식단, 적당한 운동 등 기억력에 큰 영향을 미치고 영향을 미칩니다. 우리는 자신의 몸에서부터 시작하여 운동과 건강한 생활습관을 통해 건강을 유지하게 되는데, 이는 우리의 기억을 더욱 맑고 선명하게 만들어 줄 것입니다.
마지막으로, 우리는 지속적으로 시야를 넓히고 다양한 새로운 일에 참여함으로써 기억력을 확장할 수도 있습니다. 예를 들어, 우리는 새로운 언어를 배우고 여행과 같은 사회 활동에 참여하려고 노력할 수 있으며 이러한 경험은 우리 마음 속에 더 많은 추억을 만들 수 있습니다.
간단히 말해서, 인간의 유전학과 기억의 관계는 복잡하고 다양하며, 물론 개인의 유전적 차이에 따라 상응하는 차이도 있을 것입니다. 하지만 우리가 할 수 있는 일을 무시해서는 안 됩니다. 지속적인 학습, 건강한 삶, 끊임없는 시야 확장을 통해 기억력과 자기 관리 능력을 향상시키는 것이 유전적 차이를 극복하는 가장 좋은 방법입니다. 우리는 기억력을 향상시켜야 함을 알 수 있는데, 시스탄체는 기억력 향상이라는 독특한 효능이 많은 전통 한약이기 때문에 시스탄체는 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 시스탄체의 효능은 탄닌산, 다당류, 플라보노이드 배당체 등을 포함한 다양한 활성 성분에서 비롯됩니다. 이러한 성분은 여러 가지 방법으로 뇌 건강을 증진할 수 있습니다.
NDD 후보 유전자를 hiPSC 유래 세포의 RNA 및 단백질 발현 프로파일, 형태학적 변화 및 생화학적 특징과 같은 세포 표현형과 연관시키는 능력은 AD 및 PD와 같은 복잡한 NDD의 인간 유전 구성요소가 어떻게 발현되는지를 다루는 연구를 촉진합니다. 세포 수준.
더욱이, hiPSC는 종종 부정되거나(예: 화학적 모델) 과도하게 단순화되는(예: 단일 유전적 변이 동물 모델) 기본 환자 유전적 배경의 유전적 복잡성을 모델에 통합할 수 있습니다.
신경퇴행의 시작, 진행 및 심각도는 복잡한 유전적 요인과 상대적으로 작은 영향을 미치는 여러 유전적 변이의 상호작용에 의해 결정된다는 것은 잘 알려져 있습니다.
환자 유래 hiPSC 모델에 포착된 이 타고난 유전적 환경을 통해 우리는 질병 생물학에 대한 현재의 이해를 바탕으로 모듈식, 고충실도 시험관 내 NDD 모델을 생성하는 능력과 결합하여 유전적 결정 요인 및 생물학적 요인을 조사할 수 있습니다.hiPSC 기술은 현재 이용 가능한 유일한 인간 환자의 전체 유전적 환경을 포착하는 기반 모델.
또한 hiPSC를 사용하여 CRISPR-Cas9와 같은 게놈 편집 기술을 적용할 수 있어 정확한 유전 변이체 평가를 위한 동질유전자 모델 생성이 가능해졌습니다. 확장성 외에도 hiPSC는 자체 재생이 가능합니다.
따라서 hiPSC 유래 모델은 전임상 연구를 위한 최전선 유망 시스템을 제시합니다. 더욱이, 환자 유래 hiPSCcapacity에서 포착된 인간 유전적 다양성은 이를 "맞춤형 의학" 접근법의 평가에 적합하게 만듭니다.
치료에 대한 개별 반응을 효과적으로 선별하고 임상 환경에서 투여하기 전에 무반응자 또는 불량 반응자를 식별하는 능력은 전임상 평가를 위한 hiPSC 유래 모델의 적합성을 더욱 강조합니다(그림 2).
종합적으로, hiPSC 모델의 전임상 연구를 통해 생성된 잠재적 정보는 견고하고 인간 피험자와 관련이 있으며 결과의 정확성을 향상시키기 위해 임상 시험 설계(예: 연구 피험자의 계층화)에 구현하는 데 필수적입니다.
동물모델의 한계 극복
hiPSC는 이전에 논의한 바와 같이 현재 동물 기반 모델에 존재하는 많은 문제를 극복할 수 있는 방법을 제공합니다. 첫째, iPS 유래 모델은 인간 질병의 실제 유전적 환경에서 잠재적 치료법을 평가하기 위한 인간 기반 플랫폼을 제공합니다.
둘째, 환자로부터 세포를 추출함으로써 모델에 환자의 독특한 유전적 배경이 포함되어 있기 때문에 인간 질병 돌연변이를 모델링하는 최선의 방법에 관한 많은 기술적 문제가 회피됩니다. 셋째, hiPSC 세포는 유전적 및 약리학적 조작에 쉽게 접근할 수 있어 질병 표현형을 평가하는 높은 처리량의 구조적 및 기능적 분석이 가능합니다.
이를 위해 우리는 최근 SNCA 수준 감소를 목표로 하는 올인원 LV GT를 평가하기 위해 SNCA 삼중증식을 가진 PD 환자로부터 얻은 hiPSC 유래 DA 연결 모델을 개발했습니다. 우리의 좌심실 개입은 반응성 산화 종(ROS) 생성 및 세포 생존 능력 보존을 통해 SNCA 수준을 성공적으로 감소시키고 질병 관련 표현형을 구출했습니다.140
넷째, 표준 설치류 모델과 비교하여 시험관 내 hiPSC 기반 모델의 생성은 수개월에서 수년까지 광범위할 수 있는 동물 모델과 달리 30일 정도의 상당히 짧은 시간 내에 달성될 수 있습니다.
다섯째, 이전 요점을 유지하면서 hiPSC 기반 모델은 특히 지속적인 동물 관리 의무와 인프라, 규정, 교육 및 규정 준수 요구 사항을 고려할 때 설치류 모델보다 훨씬 저렴하고 에너지 소비가 적습니다. 점점 더 경제적인 전임상 질병 모델링은 추정 치료법을 평가하기 위한 연구 그룹의 접근성을 높여 번역 가능성을 향상시키고 궁극적으로 DMT 개발 효율성을 향상시킵니다.202
전체적으로, 이러한 장점은 hiPSC 유래 모델에 신경변성 연구에서 뚜렷한 이점을 제공하며, 이러한 모델은 이전 세포 배양 및 동물 질병 모델에서는 접근할 수 없었던 새로운 발견을 생성할 가능성이 있습니다.
여기에서 검토된 연구는 질병 원인 및 병원성 경로와 관련된 요인을 밝히는 NDD 메커니즘 연구뿐만 아니라 치료제 표적 식별 및 검증과 같은 번역 및 약물 발견 연구에서 2D 및 3D hiPSC 기반 모델 통합의 필요성과 가치를 보여줍니다. .
hiPSC에서 파생된 NDD 모델은 비용 효율적이고 아마도 가장 중요하게는 정확하고 인간 질병 모델링에 적합한 비교적 짧은 실험을 통해 상당히 실현 가능한 개선된 질병 모델링을 통해 의학 연구의 도약을 나타냅니다.
그림 2. hiPSC 유래 모델의 통합 및/또는 대체 증가를 통한 NDD용 개선된 DMT 약물 개발 파이프라인의 도식 추정 DMT의 개발은 관련 유전자 표적의 식별과 질병 메커니즘을 모두 포함하는 발견 단계에서 시작됩니다.
후속 질병 모델은 초기 전임상 단계에서 고안되어 세포 질병 병태생리학을 탐구하고 약물 표적을 검증할 뿐만 아니라 초기 CGT-IP/DMT의 조기 스크리닝 및 최적화를 수행합니다. 추가 모델 개발, 표적 검증, 표적 외 효과에 대한 조사를 포함한 DMT의 점진적인 개발은 전임상 중간 단계에서 발생합니다.
DMT가 진행됨에 따라 약동학 및 약력학 활성에 관한 추가 정보가 후기전임상 단계에서 획득됩니다. 이 단계에서 hiPSC 유래 모델의 사용 증가는 여러 가지 이유로 기존 약물 개발 파이프라인에 대한 매력적인 개선을 나타냅니다. 즉, 비용 효율적이고 다재다능하며 가장 중요한 것은 기존 NDD 동물 모델의 타고난 한계를 많이 극복했다는 것입니다.
이 단계에서 추정 DMT에 대해 IND 신청서가 제출될 수 있으며, 여기에는 현재 신흥 DMT, 특히 CGT-IP가 충족해야 하는 4가지 중요한 목표가 포함되어 있습니다. (1) 표적 선택, (2) 납 화합물 개발 및 최적화, (3) 초기 및 투약 요법의 확대, (4) 타당성 및 ROA 확립.
이들 각각은 전임상 연구에서 hiPSC 기반 모델을 대체하여 정확하고 적절하게 처리될 수 있습니다. 그러면 DMT는 FDA 승인을 받아 임상 시험을 시작할 수 있습니다.
추가적인 1a상에 hiPSC 기반 모델을 통합하는 것이 포함될 수 있으며, 이는 모집 단계에서 향상된 후보 스크리닝을 촉진하고 전임상 유전 연구를 기반으로 잠재적 무반응자 또는 불량 반응자의 식별을 촉진합니다.
1a상에서 안전성이 입증된 DMT는 1상, 2상, 3상 임상 시험을 거친 후, 상당히 긍정적인 효과가 있는 DMT는 신약 신청(NDA) 규제 승인을 받고 이전에 확인되지 않은 약물을 식별하기 위해 지속적인 약물 감시와 함께 소비자용으로 출시됩니다. 시간이 지남에 따라 불리한 결과가 발생합니다.
hiPSC 유래 시험관 모델의 한계시간 및 재현성
hiPSC의 배양 기술은 지난 10년 동안 등장했으며 질병 모델링 및 추정 DMT의 전임상 평가에 대한 유용성은 비교적 새로운 것입니다.
모든 새로운 기술과 마찬가지로 NDD의 생물학적 특성을 정확하게 재현하려고 시도할 때 몇 가지 제한 사항을 고려해야 합니다. 무엇보다도 hiPSC 배양과 정확하고 신뢰할 수 있는 세포 모델 생성은 비용이 많이 들고 노동 집약적이며 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 평균적으로 의학 연구에 적합한 표준으로 hiPSC 계통을 검증하는 데 $10~000 ~ USD 25000의 비용이 듭니다.203
재프로그램화, 분화, 성숙 과정이 연장됩니다. 시작 조직을 hiPSC로 재프로그래밍하는 데는 최소 20~30일이 소요될 수 있으며,151 이후의 세포 분화 및 성숙은 원하는 세포 유형 및 사용 방법에 따라 다릅니다. 예를 들어, 성숙한 뉴런, 성상교세포, 미세아교세포의 생성에는 각각 6~15주,204 4~9주,205,206또는 5~9주,164,207가 소요됩니다.
결과적으로 연구자들은 전구 세포가 표적 세포 유형을 광범위하게 대표하고 더 빠른 시간 내에 생성될 수 있기 때문에 실험을 위한 안정적인 중간체로 전구 세포의 사용을 선호하는 경우가 많습니다.204 따라서 hiPSC 모델 시스템을 구축하는 데 필요한 시간 제약과 비용이 발생할 수 있습니다. 많은 연구 그룹에 우려 사항을 제시합니다.
또한, hiPSC 유래 세포에서 주요 질병 관련 세포 표현형의 발달에 필요한 시간도 NDD 모델링에서 고려 사항입니다. 임상적, 병리학적 증상이 나타나는 데는 환자의 수명이 수십 년이 걸리는 반면, hiPSC 유래 모델에서 질병 관련 분자 표현형은 성숙 후 약 2개월에 검출되었습니다.208
그럼에도 불구하고, 제약 조건은 세포 및 조직 수준에서 질병과 유사한 완전한 그림을 개발하는 데 충분하지 않을 수 있는 hiPSC 기반 모델의 제한된 수명에서 비롯됩니다.
성숙 시간을 단축하기 위해 Notch 및 g-세크레타제 억제제를 통합하는 등 분화 및 성숙 과정을 촉진하려는 전략,209 및 뉴로게닌{2}}(Ngn2) 또는 NeuroD1과발현158은 부분적으로 성공했으며 이소성 발현으로 인해 제기된 다른 우려를 불러일으켰습니다.
다른 제한 사항은 hiPSC 유래 배양의 순도 및 바람직하지 않은 이종 세포 집단의 존재와 관련된 장애를 포함하여 반복 실험에서 시스템의 재현성과 고유한 모델 간 가변성과 관련됩니다.210
따라서 hiPSC 유래 질병 모델, 특히 DMT 스크리닝 및 효능 평가를 사용할 때 세포 집단의 이질성을 설명하는 것이 중요합니다. 더욱이, hiPSC 배양은 게놈 불안정성을 나타내는 것으로 보고되었으며 세포 확장 및 재프로그래밍 중에 유전적 이상 및 돌연변이를 획득하는 경향이 있습니다.211
잠재적인 오프 타겟 효과(예: 동종 계열에 걸친 의도하지 않은 클론 변이 및 오프 타겟 돌연변이 유발)가 발생할 수 있으므로 다양한 게놈 편집 기술에 의해 생성된 동종 계통의 사용에도 주의가 필요합니다.212,213 따라서 주기적으로 평가하는 것이 중요합니다. 엄격한 DMT 스크리닝을 보장하기 위해 hiPSC의 게놈 안정성을 확보합니다.
산발적 NDD 병태생리학 및 세포 표현형을 요약하는 과제
NDD의 복잡성과 세포 표현형에 대한 포괄적인 특성화 및 기계적 이해의 부족으로 인해 hiPSC 기반 시스템을 포함한 세포 모델로 NDD를 요약하는 능력이 어려워집니다.
NDD의 원인은 다유전적 위험 요인(예: 다중 유전자 및 변종), 후생유전학 표지, 노화, 성별 및 산화 스트레스 유발 요인과 같은 환경 요인을 포함하여 복잡하고 다원적입니다. 이들 중 일부는 특히 끝없이 다양한 목록에서 유발하기 어렵습니다. 실험실 시스템의 조합.
더욱이, hiPSC 유래 AD-PD 모델의 대부분은 전체 사례 중 매우 작은 비율만을 나타내는 가족성 돌연변이가 있는 환자로부터 파생됩니다.214,215 가족성 형태와 산발성 형태를 뒷받침하는 메커니즘이 구별될 수 있으므로 다음에서 파생된 모델을 확립할 필요가 있습니다. sAD 또는 산발성 PD 환자로부터 얻은 hiPSC 및 섬유아세포.
이 목표를 향해 최근 몇 년 동안 환자의 세포 저장소에 대한 계획이 등장했습니다. 여기에는 응용 줄기세포(ASC), 캘리포니아 재생의학 연구소(CiRA), 삼나무 시나이 유도 다능성 줄기세포 코어, 유럽 유도 다능성 줄기세포 은행(EBiSC), 한국 국립줄기세포은행(KSCB), 국립노화연구소(NIA)가 포함됩니다. , 국립 신경 장애 및 뇌졸중 연구소 (NINDS), 국립 종합 의학 연구소 (NIGMS) 및 WiCell 연구소 (WiCell) (표 S2).
이러한 컬렉션의 예상되는 성장은 일반적인 sAD 및 산발성 PD 연구에 더 적합한 hiPSC 파생 모델의 확립을 촉진할 것입니다.
그럼에도 불구하고, 산발적 NDD 환자로부터 유래된 hiPSC 모델은 신경독에 대한 노출 및 산화 스트레스의 화학적 유도와 같은 환경 조작 시 AD181 및 PD216의 특징적인 적절한 세포 표현형을 생성합니다.
또한 최근 연구에서는 Ab 및 타우 병리학이 현저히 부족함에도 불구하고 sAD 환자에서 생성된 hiPSC에서 미토콘드리아 단백질 발현의 변화와 산화 스트레스의 증가가 밝혀졌으며,217 이는 hiPSC 모델이 산발적 NDD 하위 유형에 특정한 미묘한 병태 생리학에 대한 귀중한 통찰력을 밝힐 수 있음을 시사합니다.
더욱이, Meyer et al.218의 최근 연구에서는 sAD 환자로부터 유래된 hiPSC를 활용하여 타우 단백질을 코딩하는 MAPT가 건강한 대조군에 비해 sAD 유래 세포에서 유의하게 증가한다는 사실을 발견했습니다.
따라서 이러한 과제에도 불구하고 현재의 hiPSC 유래 모델은 질병 병태생리학을 모방하고 산발성 환자의 전체 유전적 토대를 통해 최적의 질병 특성을 확립할 수 있는 기회를 제공하는 탁월한 대용물이며, 이는 후속 질병 모델을 개선하기 위한 결과 측정으로 활용될 수 있습니다.
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