Использование биотехнологии стволовых клеток в лечении нейродегенеративных заболеваний

Стволовые клетки взрослых (ASCs)

Взрослые стволовые клетки находятся в различных тканях и, как правило, являются мультипотентными, что означает, что они могут дифференцироваться в ограниченный диапазон типов клеток, связанных с их тканью происхождения. Например, нервные стволовые клетки (НСК) находятся в субвентрикулярной зоне и гиппокампе и могут продуцировать нейроны, астроциты и олигодендроциты. В то время как НСК избегают некоторых этических проблем и могут быть собраны у пациентов, их ограниченная доступность и ограниченный потенциал дифференцировки снижают их полезность для широко распространенной замены клеток. Тем не менее, аутологичные НСК исследуются на предмет их способности выделять трофические факторы, которые поддерживают эндогенный ремонт.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs)

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки генерируются путем перепрограммирования взрослых соматических клеток (например, фибробластов кожи или клеток крови) в ЭСК-подобное плюрипотентное состояние с использованием определенных факторов транскрипции, таких как Oct4, Sox2, Klf4 и c-Myc. Введенные в 2006 году Shinya Yamanaka, iPSCs произвели революцию в этой области, обеспечив практически неограниченный источник специфичных для пациента плюрипотентных клеток. Они обходят этические дебаты, окружающие ЭСК, и позволяют создавать специфические для заболевания клеточные модели. Протоколы дифференциации могут затем преобразовывать iPSCs в нейроны, глии или другие нейронные потомства для трансплантации или in vitro исследований.

Ключевые терапевтические стратегии в нейродегенерации

Биотехнология стволовых клеток нацелена на нейродегенеративные заболевания с помощью нескольких дополнительных стратегий: прямая замена клеток, нейропротекция, опосредованная паракрином, и моделирование заболеваний для открытия лекарств. Каждый подход затрагивает различные аспекты патологии заболевания.

Терапия замещения клеток

Наиболее непосредственное применение - пересадка нейронов стволовых клеток в поврежденные области мозга для восстановления утраченной функции. Этот подход наиболее продвинут для болезни Паркинсона, где потеря дофаминергических нейронов в черной субстанции приводит к двигательным симптомам. Клинические испытания с использованием трансплантатов тканей плода показали, что трансплантированные клетки могут выживать и интегрироваться, обеспечивая облегчение симптомов у некоторых пациентов. Дофаминовые нейроны стволовых клеток, особенно из ESCs и iPSCs, теперь были протестированы на животных моделях и ранних фазах испытаний на людях. Компании и академические группы разрабатывают методы для производства дофаминовых нейронов с высокой чистотой и функциональностью, с целью сделать замену клеток рутинной терапией.

При болезни Хантингтона, при которой вырождаются средние колючие нейроны в полосатом теле, исследуются стратегии трансплантации аналогичных типов клеток. При травме спинного мозга и БАС замена двигательных нейронов и поддерживающая трансплантация глиальных клеток являются активными областями исследований, хотя более длинные расстояния аксональной проекции и сложные схемы создают большие проблемы.

Нейропротекция через паракринные сигналы

Стволовые клетки, особенно мезенхимальные стволовые клетки (МСК) и НСК, выделяют широкий спектр нейротрофических факторов, цитокинов и внеклеточных везикул, которые могут защитить существующие нейроны от дегенерации. Эти факторы включают нейротрофический фактор мозга (BDNF), нейротрофический фактор глиальной линии клеток (GDNF) и фактор роста нервов (NGF), которые поддерживают выживаемость нейронов, синаптическую пластичность и аксональный рост. Эта стратегия направлена на то, чтобы замедлить прогрессирование заболевания, повышая устойчивость оставшихся нейронных цепей. Многочисленные клинические испытания вводили МСК внутривенно или внутрикалиберно для болезни Альцгеймера и БАС, с некоторыми сообщениями о снижении воспаления и замедлении функционального снижения. Паракринные эффекты также используются инженерными стволовыми клетками для сверхэкспрессии специфических факторов роста и путем доставки секретомов или экзосом стволовых клеток в качестве альтернативы без клеток.

Моделирование заболеваний и скрининг лекарств

Специфические для пациента иПСК произвели революцию в изучении нейродегенеративных заболеваний, позволив создавать модели «болезни в блюде». Исследователи могут дифференцировать иПСК от людей с семейными или спорадическими формами болезни Альцгеймера, Паркинсона или БАС в пораженные нейронные подтипы, а затем наблюдать патологические признаки, такие как агрегация белка, митохондриальная дисфункция и потеря синапса в контролируемой среде. Эти модели используются для высокопроизводительного скрининга лекарств, токсикологических испытаний и изучения генетических вариантов, которые изменяют риск заболевания. Например, нейроны, полученные из iPSC, у пациентов с мутациями LRRK2, использовались для идентификации соединений, которые спасают дефекты нейритового роста, что приводит к кандидатам на лечение в настоящее время в клинических испытаниях. Кроме того, изогенные средства контроля, генерируемые с помощью редактирования CRISPR, позволяют исследователям точно определять эффекты конкретных мутаций, продвигая точную медицину.

Доклинический и клинический прогресс

Хотя терапия стволовыми клетками показала многообещающие результаты на животных моделях, перевод этих результатов на людей требует тщательного тестирования безопасности и эффективности. В настоящее время проводится ряд клинических испытаний для различных нейродегенеративных показаний.

Болезнь Паркинсона

Несколько фаз 1/2 испытаний оценивают трансплантацию предшественников дофаминовых нейронов ESC- или iPSC-производных в путамен. Ранние результаты небольших когорт показывают, что трансплантаты могут выжить без иммуносупрессии в некоторых случаях, и пациенты показали улучшение двигательных показателей. Однако изменчивость результатов, риск вызванных трансплантатом дискинезий и необходимость последовательного производства клеток остаются препятствиями. Знаковое испытание в Японии с использованием дофаминовых нейронов iPSC для болезни Паркинсона было начато в 2018 году и сообщило о первоначальных данных безопасности. Между тем, консорциум STEM-PD координирует многонациональные усилия по стандартизации протоколов и ускорению одобрения регулирующих органов. Национальный институт неврологических расстройств и инсульта обеспечивает текущие обновления исследований Паркинсона.]

Болезнь Альцгеймера и другие деменции

Болезнь Альцгеймера представляет большую проблему из-за ее широко распространенной дегенерации коры. Замена клеток менее осуществима, поэтому внимание было сосредоточено на нейропротекторных и противовоспалительных стратегиях. MSC из костного мозга и пуповины были протестированы в исследованиях фазы 1/2, с некоторыми доказательствами снижения амилоидной нагрузки и улучшения когнитивных показателей в небольших группах пациентов. Отредактированные CRISPR стволовые клетки также разрабатываются для доставки ферментов, которые разрушают бета-амилоид или выбивают тау-белок. Альтернативный подход использует трансплантацию NSC для секретирования нейротрофических факторов; испытание фазы 1 у пациентов с болезнью Альцгеймера продемонстрировало безопасность и возможное замедление атрофии мозга. Однако большие плацебо-контролируемые исследования по-прежнему отсутствуют. Ассоциация Альцгеймера отслеживает исследования стволовых клеток.

Травма спинного мозга и рассеянный склероз

При травме спинного мозга стволовые клетки исследуются как в качестве замены потерянных олигодендроцитов для содействия ремиелинизации, так и в качестве источника поддерживающей глии, которая уменьшает воспаление и кавитацию. Несколько исследований трансплантировали НСК, МСК или клетки-предшественники олигодендроцитов в место повреждения. Некоторые сообщили о скромных улучшениях двигательной или сенсорной функции. Множественный склероз (МС) включает опосредованную иммунной демиелинизацию, а также высокую дозу иммуносупрессии с последующей аутологичным пересадкой гемопоэтических стволовых клеток. Этот подход, известный как трансплантация гемопоэтических стволовых клеток (HSCT), не является непосредственно нейронной, но восстанавливает самотолерантную иммунную систему. Текущие исследования также используют мезенхимальные стволовые клетки для содействия ремиелинизации и модуляции микроглиальной активности.

Преодоление ключевых вызовов

Несмотря на волнение, методы лечения нейродегенеративных заболеваний на основе стволовых клеток сталкиваются с существенными препятствиями, которые необходимо устранить, прежде чем они станут стандартным лечением.

Иммунное отторжение и иммуносупрессия

Трансплантированные аллогенные клетки (от донора) могут вызывать иммунные реакции, требующие пожизненной иммуносупрессии, которая несет значительные риски. Аутологичные клетки, полученные из iPSC (от пациента), теоретически иммунно-совместимы, но все же могут вызывать незначительные реакции гистосовместимости из-за перепрограммирования in vitro или культур-индуцированных мутаций. Исследования «универсальных» плюрипотентных стволовых клеток с отредактированными молекулами класса I MHC или экспрессией иммуномодуляторных факторов активны. Кроме того, мозг считается частично иммунно-привилегированным, но степень защиты варьируется в зависимости от заболевания и целостности гематоэнцефалического барьера. Ранние клинические данные свидетельствуют о том, что иммуносупрессия может быть сужена с течением времени у некоторых пациентов, но оптимальные протоколы еще не установлены.

Этические и нормативные проблемы

Этические проблемы, связанные с использованием эмбриональных стволовых клеток, сохраняются, хотя появление iPSCs уменьшило зависимость от ESCs. Тем не менее, вывод iPSCs включает использование вирусных векторов и перепрограммирующих факторов, которые поднимают вопросы безопасности и регулирования. Строгие руководящие принципы от органов, таких как Управление по контролю за продуктами и лекарствами США и Международное общество исследований стволовых клеток (ISSCR) являются обязательными. Прозрачность в производстве, характеристика клеток и долгосрочное наблюдение за пациентами являются обязательными. Нерегулируемые клиники стволовых клеток, предлагающие недоказанные «терапии», остаются серьезной проблемой, подрывая законные исследования и подвергая опасности пациентов. «Справочник пациента по терапии стволовых клеток» ISSCR обеспечивает руководство для оценки необоснованных претензий. Страница ресурса пациента ISSCR является ценным справочником.

Обеспечение интеграции и безопасности клеток

Пересаженные клетки должны выживать, мигрировать соответствующим образом, формировать функциональные синаптические связи и интегрироваться в существующие нейронные цепи, не вызывая опухолей или аберрантной активности. Плурипотентные стволовые клетки могут образовывать тератомы, если в трансплантате остаются какие-либо недифференцированные клетки, поэтому строгий контроль качества — включая сортировку, анализы эффективности дифференцировки и проверки геномной целостности — имеет решающее значение. Кроме того, привитые клетки не должны разрушать локальные схемы или вызывать хроническую боль или дискинезии. В исследованиях Паркинсона у некоторых пациентов развились дискинезы, вызванные трансплантатом, возможно, из-за неконтролируемого высвобождения дофамина или серотонергического загрязнения. Уточнение протоколов дифференциации для получения чистых, специфичных для региона нейронных подтипов. Достижения в секвенировании РНК одной клетки и пространственной транскриптомике помогают характеризовать композицию трансплантата с беспрецедентным разрешением.

Будущие направления

Область быстро развивается, и несколько новых технологий обещают ускорить клинический перевод терапии стволовыми клетками для нейродегенеративных заболеваний.

Редактирование генов и точная коррекция

CRISPR-Cas9 и связанные с ним инструменты позволяют исследователям исправлять вызывающие заболевание мутации непосредственно в iPSCs, полученных от пациентов, до дифференциации. Этот подход был продемонстрирован для мутаций в SOD1 и C9orf72 в ALS, а также HTT в болезни Хантингтона. Исправленные iPSC могут затем использоваться для генерации здоровых нейронов для трансплантации или моделирования. Кроме того, редактирование генов может использоваться для установки защитных модификаций, таких как избыточная экспрессия факторов роста или постукивание терапевтических трансгенов, создавая «усиленные» стволовые клетки, которые более устойчивы в пораженной микросреде. Клиническое производство генно-отредактированных стволовых клеток является активной областью биоинженерии.

Персонализированная и точная медицина

ИПСК, полученные от каждого пациента, открывают двери для действительно персонализированной терапии: клетки могут быть изготовлены, исправлены и расширены для аутологичной трансплантации, устраняя опасения по поводу иммунного отторжения. В то время как затраты и время, необходимые для аутологичного производства, в настоящее время являются непомерно высокими для широкого использования (месяцы культуры и миллионы долларов на пациента), предпринимаются усилия по рационализации производства. Биобанки ИПСК с обычными гаплотипами лейкоцитарного антигена человека (HLA) могут создавать «готовые» клеточные линии, которые имеют иммунитет для большого процента населения. Такие хранилища, уже созданные в Японии и Европе, уменьшают потребность в линиях для конкретного пациента, все еще обеспечивая степень иммунной совместимости.

Передовые методы доставки и биоматериалы

Простое введение клеток в мозг часто приводит к плохой выживаемости и ограниченной интеграции. Для решения этой проблемы исследователи разрабатывают биоматериальные каркасы - гидрогели, нановолокна или микроносители, которые обеспечивают структурную поддержку, обеспечивают факторы роста и прямую дифференциацию клеток. Например, было показано, что каркас на основе коллагена, нагруженный НСК, улучшает выживаемость клеток и аксональный рост в моделях повреждения спинного мозга. Трехмерная печать и органоидная технология также изучаются для создания миниатюрных конструкций нейронных тканей, которые более точно имитируют архитектуру мозга, потенциально улучшая интеграцию и функцию.

Комбинированная терапия подходы

Терапия стволовыми клетками вряд ли будет самостоятельным средством лечения большинства нейродегенеративных заболеваний, которые включают сложную патофизиологию. Сочетание трансплантации клеток с препаратами, которые уменьшают воспаление, предотвращают агрегацию белка или усиливают синаптическую функцию, может принести синергетические преимущества. Например, одновременное введение иммунодепрессантов, нейротрофических факторов или реабилитация на основе физических упражнений было протестировано на животных моделях и ранних исследованиях на людях. При болезни Паркинсона сочетание замены клеток с глубокой стимуляцией мозга является еще одной областью исследования. Оптимальная комбинация и сроки, вероятно, будут зависеть от стадии заболевания и индивидуальных характеристик пациента.

Заключение

Биотехнология стволовых клеток имеет необычайные перспективы для лечения нейродегенеративных заболеваний, которые в настоящее время не имеют эффективных методов лечения. Заменяя потерянные нейроны, защищая уязвимые клетки и позволяя персонализированное моделирование заболеваний, подходы на основе стволовых клеток меняют ландшафт нейротерапии. Клинический прогресс, особенно при болезни Паркинсона и рассеянном склерозе, продемонстрировал, что безопасные и частично эффективные вмешательства на основе клеток достижимы, хотя многие препятствия остаются. Ожидается, что в ближайшее десятилетие будут решены эти проблемы. Поскольку мы продолжаем совершенствовать науку и ориентироваться в этических и практических сложностях, биотехнология стволовых клеток, несомненно, будет играть центральную роль в будущем неврологии - предлагая реальную надежду для пациентов и семей, пострадавших от этих разрушительных условий.