El camino hacia el progreso de los estudios preclínicos de las enfermedades neurodegenerativas relacionadas con la edad: una perspectiva sobre los modelos derivados de roedores y HiPSC, parte 6

Modelando el envejecimiento "en un plato"

Inducción de firmas celulares morfológicas y funcionales relacionadas con la edad. Si bien el modelado de trastornos del desarrollo neurológico (p. ej., atrofia muscular espinal, encefalitis primaria por herpes simple) con hiPSC ha tenido éxito, es mucho más difícil recapitular con precisión los fenotipos de enfermedades de los NDD relacionados con la edad, como la EA y la EP.

La encefalitis es una enfermedad común que afecta el cerebro humano e incluso puede provocar la muerte en casos graves. La encefalitis puede tener efectos extremadamente negativos en muchos sistemas del cuerpo humano, como el nervioso y el respiratorio. Sin embargo, el impacto en la memoria es bidireccional.

La encefalitis puede afectar la memoria del cuerpo humano. Algunos pacientes pierden mucha memoria cuando la afección es grave. Esto se debe a que la encefalitis causa daño al cerebro humano, lo que resulta en problemas con la transmisión y recepción de señales. Esto puede causar problemas de memoria a corto y largo plazo, que dependen del alcance del daño cerebral.

Sin embargo, durante el tratamiento de la encefalitis, la memoria del cuerpo humano se recuperará lentamente. Esto se debe a que, durante el proceso de tratamiento, los médicos proporcionarán a los pacientes algunos medicamentos especiales para restaurar gradualmente la salud de las células nerviosas, mejorando así la memoria del cuerpo humano.

Esto también es un recordatorio de que para algunas personas propensas a la encefalitis, también es muy importante relajar y fortalecer el sistema inmunológico, lo que puede ayudarlas a mantenerse alejadas del peligro de la encefalitis. Por ejemplo, participe en actividades más saludables, evite trasnochar mucho tiempo y coma alimentos más nutritivos.

En definitiva, aunque la encefalitis afectará a la memoria del cuerpo humano, este efecto irá aliviando a medida que avance el tratamiento. Afrontar la enfermedad correctamente, mantener un estilo de vida saludable y tratarla activamente puede hacernos vivir una vida más positiva, valorar más la vida y pasar cada día felices. Se puede ver que necesitamos mejorar la memoria. Cistanche puede mejorar significativamente la memoria porque también puede regular el equilibrio de los neurotransmisores, como aumentar los niveles de acetilcolina y factores de crecimiento, que son muy importantes para la memoria y el aprendizaje. Además, Cistanche también puede mejorar el flujo sanguíneo y promover el suministro de oxígeno, lo que puede garantizar que el cerebro obtenga suficiente nutrición y energía, mejorando así la vitalidad y la resistencia del cerebro.

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La reprogramación de células somáticas para generar hiPSC borra las firmas de edad molecular de las células del donante y las revierte a etapas de desarrollo fetal.2,219,220 Como tal, el campo ha ideado una variedad de estrategias inventivas para acelerar el envejecimiento y/o la maduración celular como medio para superar esta limitación, incluida la sobreexpresión ectópica de proteínas relacionadas con el envejecimiento, como la progerina,221 indujo el acortamiento artificial de los telómeros,222 y la exposición a diversas toxinas que causan disfunción mitocondrial y estrés oxidativo.223,224 El laboratorio ChibaFalek ha desarrollado otra estrategia para inducir el envejecimiento144 y emplea múltiples pases de los NPC para imitar los procesos naturales de envejecimiento.

Esta estrategia representa una alternativa atractiva en comparación con los métodos anteriores descritos anteriormente, ya que reduce los potenciales fenotipos artificiales, consecuencia de la exposición a toxinas o la expresión ectópica, y se basa en un proceso más natural para inducir el envejecimiento en modelos celulares de NDD. Células somáticas a modelos neuronales.

Alternativamente, se desarrollaron métodos conocidos como "linaje/conversión directa" o "transdiferenciación" para retener la edad del donante y preservar las firmas moleculares "envejecidas".

Este enfoque se basa en la reprogramación directa de células somáticas humanas, como los fibroblastos, en neuronas mediante el suministro de diversos factores de transcripción específicos del linaje celular sin una etapa intermedia de desdiferenciación en hiPSC.225–227 Un ejemplo es la generación de células somáticas inducidas por DA. neuronas (iN) directamente de fibroblastos embrionarios de ratón228 y astrocitos humanos229 como medio para producir un sistema modelo más apropiado para estudiar la neurodegeneración humana relacionada con la edad.

De hecho, estos métodos permiten preservar los efectos del envejecimiento en el genoma. En última instancia, se deben considerar pautas para abordar las limitaciones biológicas y técnicas relacionadas con el trabajo de hiPSC, en particular las diferencias entre los donantes de hiPSC, la autenticación de la pureza del cultivo derivado y la estabilidad genética. para controlar la variabilidad en los modelos derivados de hiPSC y para garantizar resultados sólidos y un alto grado de reproducibilidad.

Direcciones futuras en aplicaciones de hiPSC en el contexto de NDD Medicina personalizada y detección de fármacos

La EA y la EP exhiben una alta variabilidad y heterogeneidad en los síntomas; por lo tanto, cada una de estas patologías puede representar un grupo de subtipos de enfermedades,230,231 es una consideración crítica en el diseño de ensayos clínicos cuando se avanzan los DMT putativos a través del proceso de desarrollo de fármacos.

Kondo et al.232 demostraron que las hiPSC derivadas de pacientes con EAf y EAs mostraban una capacidad de respuesta diferente al tratamiento con ácido docosahexaenoico (DHA), un fármaco que anteriormente había fracasado en ensayos clínicos de EA.

Estos datos son indicativos de diferentes subtipos de EA que poseen diferentes respuestas clínicas al tratamiento. Por lo tanto, existe la necesidad de estratificar a los participantes del estudio para lograr un beneficio en los ensayos clínicos, lo que implica que varias terapias que fracasaron en los ensayos clínicos aún pueden tener el potencial de ser efectivas en ciertos subtipos definidos de EA.

La mejora de los modelos preclínicos actuales facilitará la evaluación precisa de los medicamentos nuevos y existentes al definir mejores medidas de resultados y/o poblaciones de pacientes apropiadas.

Kondo et al.232 demostraron además la utilidad de los modelos de AD derivados de hiPSC para la detección de alto rendimiento de un panel de compuestos terapéuticos putativos utilizando fenotipos de enfermedades previamente establecidos como medidas de resultado, a saber, la capacidad de reducir la proporción Ab42:Ab40 en neuronas derivadas de 13 Líneas hiPSC de pacientes con EA.

Seis compuestos líderes pudieron reducir significativamente el Ab42:Ab40 neuronal; sin embargo, uno de los compuestos que contenía un "cóctel" de cromolín, topiramato y bromocriptina sólo rescató el fenotipo de esta enfermedad en las neuronas hiPSC derivadas de pacientes con FA.232 También se ha explorado la susceptibilidad genética del paciente a diversos factores ambientales en modelos de EP derivados de hiPSC, lo que se revertido con GT,174,233proporcionando validación de prueba de concepto para un enfoque personalizado de intervención terapéutica.

En general, un mayor desarrollo de la tecnología hiPSC puede, en última instancia, permitir a los investigadores estratificar a los pacientes en función de antecedentes genéticos específicos de factores de riesgo para evaluar las diferentes respuestas de las subpoblaciones genéticas al tratamiento.

Enfoques regenerativos de la neurodegeneración

La capacidad de las neuronas del cerebro para regenerarse en respuesta a una lesión es mínima; con la neurogénesis adulta restringida a unas pocas regiones cerebrales seleccionadas y en enfermedades caracterizadas por neurodegeneración crónica, como la EA y la EP, los deterioros cognitivos y conductuales resultantes son irreversibles.

Las vías más interesantes que surgen de la tecnología hiPSC son las estrategias de ingeniería de tejidos destinadas a regenerar el tejido neuronal perdido mediante el trasplante de hiPSC.

Estas estrategias terapéuticas revolucionarias aprovechan la capacidad de las hiPSC para diferenciarse en múltiples subclases de células neurales y gliales. Si bien el concepto de trasplante de hiPSC para estimular la regeneración de tejidos aún se encuentra en una etapa temprana, es un campo en rápido desarrollo y la evidencia reciente ha demostrado que el trasplante de hiPSC y ESC pueden ser beneficiosos para múltiples enfermedades, incluida la degeneración macular relacionada con la edad234,235 y la lesión de la médula espinal.236

Lo que es más relevante aquí es que un ensayo clínico reciente realizado por Song et al. 237, que implicó el trasplante de neuronas DA autólogas derivadas de hiPSC en pacientes con EP, ha restaurado eficazmente los déficits motores por primera vez. Este estudio innovador proporciona una prueba del concepto de que tales técnicas de trasplante basadas en hiPSC proporcionan la plataforma perfecta para una terapia regenerativa exitosa en los NDD.

No obstante, es importante reconocer que el trasplante de hiPSC va acompañado de varios desafíos, incluido el riesgo de tumorigenicidad y rechazo del injerto por parte del paciente.238,239 Para mitigar este obstáculo, actualmente se están desarrollando una variedad de estrategias inmunoevasivas para superar el rechazo inmunológico.240,241

Combinadas con sus propiedades autorregenerativas, las hiPSC poseen muchas características muy deseables para la medicina regenerativa personalizada y las convierten en un candidato ideal para terapias basadas en la regeneración en trastornos del SNC.242-245 El trasplante de hiPSC abre estrategias terapéuticas para abordar no sólo la recuperación del tejido perdido pero también la necesidad de un DMT mediante el uso de células genéticamente corregidas.

Las hiPSC, derivadas de pacientes, pueden someterse a un tratamiento de modificación genética in vitro, por ejemplo utilizando la tecnología CRISPR-Cas9, para la corrección dirigida del gen mutado.

Posteriormente, las células genéticamente corregidas podrían ser reemplazadas en el paciente clínico. Idealmente, estas construcciones modificadoras del ADN permanecerían episomales y se autoinactivarían en el momento en que el tejido fuera trasplantado al paciente para reducir la probabilidad de efectos no deseados.

Una hoja de ruta para la presentación de nuevos productos en investigación (PI) para tratar la EP y la EA

Descripción general del proceso actual de desarrollo de IP

Los estudios preclínicos para nuevas terapias para la EP y la EA son importantes en el proceso de desarrollo de IP. Los objetivos de un programa preclínico integral para terapia celular y GT IP (CGTIP) incluyen los siguientes: (1) establecimiento de plausibilidad biológica (selección de objetivos); (2) identificación de niveles de dosis biológicamente activas (desarrollo y optimización de compuestos principales); (3) selección del posible nivel de dosis inicial, programa de aumento de dosis y régimen de dosificación para ensayos clínicos; y (4) establecimiento de la viabilidad y seguridad razonable de la vía de administración clínica (ROA) propuesta por CGT-IP.

Estos pasos son cruciales en la preparación de los productos para la solicitud de nuevo medicamento en investigación (IND) y la presentación de solicitudes de licencia de productos biológicos (BLA). (1) la baja participación y eficacia del objetivo y (4) el perfil de seguridad insatisfactorio se encuentran entre las razones más comunes de los fracasos de los CGT-IP para la terapéutica de la EP y la EA (Figura 2).

Además, una revisión retrospectiva reciente de la aprobación demorada o denegada de nuevas entidades médicas por parte de la FDA entre 2000 y 2012 indica que la formulación incompleta de la eficacia objetivo y la determinación del perfil de seguridad de los medicamentos representan factores importantes que subyacen al fracaso de los programas de desarrollo de medicamentos para las NDD. incluidos AD y PD.246

Este estudio también informó la preocupación por la traducibilidad bastante baja en la transición de estudios preclínicos con animales a ensayos clínicos en humanos. Es importante señalar que la FDA es muy consciente de estas deficiencias. La FDA creó recientemente pautas que recomiendan minimizar el uso de animales para las validaciones de IP. Por ejemplo, en el contexto de baja compatibilidad específica de especie del producto clínico, la FDA permite probar sistemas de validación alternativos con características análogas y adecuadas demostradas.

La aparición de hiPSC derivadas de pacientes con EA y EP y las plataformas relacionadas descritas en esta revisión podrían proporcionar un sistema experimental alternativo para desarrollar CGT-IP putativos. De acuerdo con estas recomendaciones, la realización de estudios in vitro que abarquen la determinación de la seguridad, la optimización de la dosis y los ensayos funcionales. , inmunofenotipado, evaluación morfológica, datos toxicológicos tempranos, farmacocinética y farmacodinamia del IP pueden satisfacer el requisito de la FDA para establecer la relevancia biológica del producto.

Además, con el uso de estudios in vitro, las hiPSC serían principalmente beneficiosas para la identificación de posibles problemas de seguridad y el mecanismo de acción (MOA) de las CGT-IP en investigación. Estas consideraciones están bien alineadas con la guía de la FDA que recomienda la incorporación de los principios de las "3R", para cultivar protocolos de métodos de prueba que fomenten la reducción, refinación y reemplazo del uso de animales, como seguimiento de las disposiciones aplicables de las Enmiendas de la Ley de Bienestar Animal de 1976 (7 USC2131 y siguientes).

El concepto de reemplazar modos animales respalda la utilidad de los programas de modelado in vitro de AD y PD. La idoneidad de estos esfuerzos debe considerarse más ampliamente con la evaluación del "efecto de cambio", si lo hubiera, sobre la capacidad del programa de pruebas preclínicas para proporcionar los datos necesarios sobre la seguridad y actividad del producto CGT-IP.

La discusión anterior sugiere la posibilidad de generar una cartera temprana del programa terapéutico para el avance de IND utilizando predominantemente pruebas y validación in vitro, particularmente en el contexto de las pruebas preclínicas, así como un punto de control de ensayos clínicos de fase 1a (Figura 2). Además, los análisis avanzados, incluidas las evaluaciones de seguridad y toxicidad que limitan la dosis, podrían depender, al menos en parte, de mediciones in vitro.

Estos nuevos datos clínicamente relevantes de seguridad, farmacocinética, farmacodinámica, tolerabilidad y biomarcadores informarían las decisiones clínicas posteriores con respecto a nuevos IP. Por lo tanto, la realización de los estudios necesarios en animales para abordar cualquier problema pendiente debe considerarse solo después de que el desarrollo de un producto CGT-IP avance a una fase posterior de estudio preclínico.

Por ejemplo, si se producen cambios en la fabricación/formulación, de modo que la comparabilidad del producto CGT de la fase posterior con el producto utilizado en la fase inicial (probado in vitro) es incierta, entonces pueden ser necesarios estudios preclínicos in vivo adicionales para unir los dos productos. Dichos estudios puente permiten que los datos recopilados con el producto en la fase inicial respalden el desarrollo o la licencia en la fase posterior.

Como tal, sugerimos que antes del inicio de los estudios preclínicos definitivos en entornos animales, se deben realizar estudios in vitro para la identificación de posibles problemas de seguridad y MOA de un producto CGT-IP en investigación (Figura 2).

Dicho esto, sugerimos complementar los estudios in vitro con evaluaciones de una batería de fenotipos fisiológicos y funcionales del producto después de la administración in vivo. Las evaluaciones probarán específicamente la mejora de los fenotipos de enfermedad estándar establecidos en modelos de enfermedad basados ​​en hiPSC, como se demostró anteriormente.140,174,193,233

En consecuencia, el programa de pruebas preclínicas debe incorporar un enfoque multifactorial gradual para lograr una comprensión de la plausibilidad biológica del uso del producto CGT en investigación en las poblaciones de pacientes previstas con EA y EP. Para analizar minuciosamente el proceso de certificación de un producto GT para su presentación IND, recomendamos comunicarse con la FDA en las primeras etapas del desarrollo del producto, a través de un mecanismo pre-pre-IND, que es una discusión informal no vinculante entre revisores de Farmacología/Toxicología. Rama de la organización y el investigador.

Sería extremadamente valioso considerar los consejos brindados por el Centro de Evaluación e Investigación Biológica (CBER)/Oficina de Terapias Celulares, Tisulares y Genéticas (OCTGT) al preparar protocolos finales para estudios preclínicos definitivos, así como al preparar varias secciones del documento informativo para el reunión previa al IND.

La especie animal seleccionada para la evaluación de la bioactividad y la seguridad debe demostrar una respuesta biológica al producto CGT en investigación, similar a la esperada en humanos, para generar datos que orienten el diseño del ensayo clínico.

Las consideraciones para determinar las especies relevantes incluyen lo siguiente: (1) comparabilidad de la fisiología y anatomía con la de los humanos; (2) permisividad/susceptibilidad a la infección y replicación de vectores virales o vectores microbianos para GT; (3) inmunotolerancia a un producto CGT humano o transgén humano expresado por un producto GT; y (4) viabilidad de utilizar el sistema/procedimiento de administración clínica planificado.

Comentarios concluyentes

La búsqueda de DMT clínicamente eficaces para los NDD relacionados con la edad, como la EA y la EP, ha fracasado significativamente, a pesar de más de 40 años de investigación. Múltiples factores son responsables de la ausencia de DMT para la EA y la EP, y los modelos preclínicos inadecuados de la enfermedad constituyen una limitación importante.

Sin embargo, los ensayos clínicos de supuestos candidatos a DMT no pueden detenerse mientras se espera el modelo NDD "perfecto". Las regulaciones actuales de IND podrían potencialmente obstaculizar la investigación actual y futura sobre tratamientos de NDD al depender excesivamente de datos generados a partir de modelos animales inadecuados, lo que ralentizaría aún más el progreso hacia el logro de un DMT.

Con la aparición de las hiPSC derivadas de pacientes, el campo entró en una nueva era en la investigación de NDD, permitiendo investigaciones preclínicas en el contexto de los antecedentes genéticos de cada paciente, lo cual es clave en el desarrollo de DMT para enfermedades genéticas complejas. Junto con nuevas técnicas de edición y administración de genes, las hiPSC representan un conjunto de herramientas preclínicas emergente y prometedor que facilita el modelado de enfermedades y el descubrimiento de fármacos.

En conclusión, si bien la utilidad de los modelos de roedores es valiosa en varios aspectos de la evaluación preclínica, como la evaluación de los perfiles de seguridad, la bioactividad sistémica y los resultados funcionales, debemos (1) reconocer los beneficios de los modelos NDD generados a partir de hiPSC y considerar su utilidad como un complemento. plataforma para evaluar la eficacia terapéutica en estudios preclínicos, (2) trabajar para mejorar los modelos actuales basados ​​en células y animales, y modelos personalizados que serán aplicables para la evaluación de terapias de medicina de precisión, y (3) definir los resultados medibles del tratamiento de la intervención terapéutica y, en consecuencia, , seleccione el/los modelo/s sistema/s más adecuados.

INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA

Puede encontrar información complementaria en línea enhttps://doi.org/10.1016/j.ymthe.2021.01.001.

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