科學報導 藥物開發與設計

解構神經系統疾病之謎:利用 iPSCs 作為藥物篩選系統

2012 年諾貝爾生理與醫學獎頒予山中伸彌教授與 Sir John Gurdon,表彰對於成體細胞可透過細胞編碼改寫(cell reprogramming)而再度具備分化潛能的研究成果。這項發現孕育了「在培養皿中模擬疾病進程」(“disease in a dish”)的概念,也促進了體外培養的患者來源疾病模型(in vitro patient-derived disease models)的建立。

誘導性富潛能幹細胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)提供新的疾病模式系統與藥物發展的契機,在病理分子機轉的研究中扮演重要角色,對於神經性疾患或精神疾病等較難探觸到病灶的疾病類別,更有深遠的影響 [1]。此外,這項技術對於高通量藥物篩選也有所助益,結合 iPSCs 進行表現型篩選(phenotypic screening)與藥物重新定位(drug repositioning)也將大幅裨益藥物發展的進程 [2]。考慮個體差異對於藥物或療法的影響,科學家也應用患者 iPSCs 衍生的細胞模式作為藥物篩選的系統,期望朝個人化的精準醫療更進一步(圖一)。

圖一、傳統藥物發展與以 iPSCs 輔助藥物發展之比較。傳統藥物發展面臨的主要困境為缺發適當的模式系統,難以準確預測藥物效用,仰賴動物模式也往往無法真實反映人類的病生理。相較之下,運用 iPSCs 進行藥物發展,使用直接來源於患者的細胞模型,能較為精準地重現病理條件,此技術平台也有利於高通量的小分子藥物篩選。 圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.jacc.2016.01.083

長久以來,人類中樞神經系統(central nervous system, CNS)疾病在藥物發展與臨床試驗上因腦部組織結構的特性與繁複的病理機轉面臨許多困難,如何穿透血腦障壁(blood-brain barrier, BBB)也成為藥物設計與藥物遞輸(drug delivery)的關鍵。隨著人類平均壽命的延長,高齡族群認知功能減退與神經退化性疾病成為日益重要的醫療課題;另一方面,小兒神經性疾患如腦病變、癲癇、腦性麻痺、泛自閉症障礙(autism spectrum disorders, ASDs)、智能障礙等,往往大幅影響患者的日常生活。CNS 疾病症狀與年齡範疇的高度異質性,病理機轉的複雜性與診斷上的困境,在在考驗著藥物的研發與篩選。

近年來許多研究利用衍生自 CNS 的疾病細胞模式系統,探尋疾病表現型、可轉譯至臨床應用的生物標記、與治療標的。2020 的一篇回顧論文 [3] 綜覽多種神經系統疾病,探討將 iPSCs 應用於 CNS 進行小分子藥物篩選的前景與挑戰(圖二)。

圖二、從建立人類體外細胞模型到臨床試驗的流程總覽。患者衍生的疾病模型具備患者遺傳背景的資訊,並著眼於探討與疾病生理相關的蛋白與分子途徑,再結合表現型分析,對於臨床診斷與鑑別生物標記都有所助益,也可導引藥物篩選與患者分級(stratification)。此外,iPSCs 衍生的細胞模式對於小分子藥物篩選與新藥效用、毒性、作用方式(mode of action)亦表現出相當潛力。新興的人體 BBB 與類器官 3D 細胞模型也可取代實驗動物,進行藥物動力學(pharmacokinetics, PK)與藥效學(pharmacodynamics, PD)分析。
圖片來源:https://doi.org/10.1111/nyas.14012

透過適當生長因子誘導 iPSCs 分化為神經前驅細胞(neural progenitor cells)並轉化為特定細胞類型,是執行研究的關鍵。先前研究指出,同時加入 GSK-3β、TGF-β、與 Notch 三者的小分子抑制劑及 LIF3,可誘導幹細胞分化為腦部多種神經元與神經膠細胞亞型 [4]。在實驗上,除了透過特定生長因子或小分子誘導,擴增目標細胞族群外,亦須考量調控疾病生理的分子途徑與神經網路的功能性,調整培養方式。

iPSCs 所需克服的另一難題則是細胞編碼改寫,透過轉分化(transdifferentiation)直接將體細胞轉化為誘導性神經元(induced neurons, iNs),是否能避免陷入這個困境呢?藉由基因轉殖共表達數種轉譯因子 [5][6],可將纖維母細胞轉分化為誘導性運動神經元,有助於肌肉萎縮性脊髓側索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)與脊髓性肌肉萎縮症(spinal muscular atrophy, SMA)等疾病研究。近期研究則使用三種轉譯因子將纖維母細胞轉分化為興奮性皮質神經元,且其具備電生理特徵、神經元標記、與錐狀細胞型態 [7]。整體而言,轉分化的優勢是能夠保留表觀遺傳標記與患病時細胞的老化情形,然而基因體的不穩定性與相對低落的產量,也是轉分化技術層面遭遇的瓶頸。

現今研究應用患者 iPSCs 衍生的細胞模型進行體外 2D 或 3D 培養,在一定程度上保留病生理微環境並呈現神經網路型態,結合如 CRISPR-Cas9 等遺傳操縱技術,有利於釐清疾病相關的遺傳分子途徑。此外,利用幹細胞模型從事藥物篩選往往根據藥物作用標靶或表現型分析等,建立假說並於候選藥物中進行篩選。

近年 iPSCs 亦廣泛應用於阿茲海默症(Alzheimer’s disease, AD)與額顳葉失智症(Frontotemporal dementia, FTD)等研究。不論是帶有 PSEN1APP 等家族性遺傳變異或是偶發型 AD 的 iPSCs 衍生之類器官模型,皆可發現 Aβ40 斑塊會與特定 tau 蛋白形成堆積。利用 β- 與 γ-分泌酶抑制劑,可減少 Aβ 與不可溶 tau 蛋白的含量,而 GSK-3β 抑制劑則可降低 tau 蛋白的磷酸化程度,顯示出了 iPSCs 衍生細胞株進行藥物篩選的潛力 [8]。針對 FTD,除了探討 tau 蛋白造成細胞毒性的病生理機轉 [9],近期 iPSCs 模型也研究 C9orf72 的重複片段擴增造成的 RNA 堆積現象,探討神經元的突觸功能與電生理特性 [10]。

另一方面,目前對於小兒神經性疾患的致病機轉瞭解仍不甚透徹,iPSCs 則可彌補傳統研究方法力有未逮之處,協助解析繁複的遺傳結構,並提供藥物研究與個人化醫療的可能。此外,應用於思覺失調症等精神疾病,則有利於分析細胞中的代謝物與蛋白組成,亦是首次於體外進行抗精神疾病藥物測試的細胞模型 [11]。

綜合以上,若能結合臨床病理資料,及至患者的各項生物分子表徵及藥物反應特性等,進一步建立患者 iPSCs 衍生的細胞模式,對於各項疾病患者的分級、診斷、臨床試驗的效用等都將有所幫助,也有利於改善轉譯醫學與精準醫學的景況。然而,目前 iPSCs 的應用也面臨許多挑戰,例如:大規模且具經濟效益地培養 iPSCs 衍生細胞的程序最佳化、在神經元細胞模式中融合老化的條件、以及如何強化並自動化表現型試驗方法,使之可有效支持量化藥物效用、毒性、與代謝等測試流程等,仍留待更多研究測試,以期促進 CNS 藥物發展的人源化(humanization)。

延伸閱讀|體外試驗所-由iPSCs建立的疾病模擬與藥物篩選方法

延伸閱讀|一解成體神經幹細胞的胚胎來源和發育分化之謎

延伸閱讀|幹細胞體學 —— 單維到多維的細胞塑性

Investigator 選文|Special Issue: hiPSC-Derived Cells as Models for Drug Discovery 2.0

Investigator 選文|Induced pluripotent stem cells in disease modelling and drug discovery

 

參考文獻:

[1] Cappella, M., Elouej, S., &Biferi, M. G. (2021). The Potential of Induced Pluripotent Stem Cells to Test Gene Therapy Approaches for Neuromuscular and Motor Neuron Disorders  . Frontiers in Cell and Developmental Biology  , Vol. 9, p. 882. Retrieved from https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fcell.2021.662837

[2] Okano, H., Yasuda, D., Fujimori, K., Morimoto, S., &Takahashi, S. (2020). Ropinirole, a New ALS Drug Candidate Developed Using iPSCs. Trends in Pharmacological Sciences, 41(2), 99–109. https://doi.org/10.1016/j.tips.2019.12.002

[3] Silva, M. C., &Haggarty, S. J. (2020). Human pluripotent stem cell–derived models and drug screening in CNS precision medicine. Annals of the New York Academy of Sciences, 1471(1), 18–56. https://doi.org/10.1111/nyas.14012

[4] Li, W., Sun, W., Zhang, Y., Wei, W., Ambasudhan, R., Xia, P., Talantova, M., Lin, T., Kim, J., Wang, X., Kim, W. R., Lipton, S. A., Zhang, K., & Ding, S. (2011). Rapid induction and long-term self-renewal of primitive neural precursors from human embryonic stem cells by small molecule inhibitors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(20), 8299–8304. https://doi.org/10.1073/pnas.1014041108

[5] Tang, Y., Liu, M. L., Zang, T., & Zhang, C. L. (2017). Direct Reprogramming Rather than iPSC-Based Reprogramming Maintains Aging Hallmarks in Human Motor Neurons. Frontiers in molecular neuroscience, 10, 359. https://doi.org/10.3389/fnmol.2017.00359

[6] Son, E. Y., Ichida, J. K., Wainger, B. J., Toma, J. S., Rafuse, V. F., Woolf, C. J., & Eggan, K. (2011). Conversion of mouse and human fibroblasts into functional spinal motor neurons. Cell stem cell, 9(3), 205–218. https://doi.org/10.1016/j.stem.2011.07.014

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[9] Seo, J., Kritskiy, O., Watson, L. A., Barker, S. J., Dey, D., Raja, W. K., Lin, Y. T., Ko, T., Cho, S., Penney, J., Silva, M. C., Sheridan, S. D., Lucente, D., Gusella, J. F., Dickerson, B. C., Haggarty, S. J., & Tsai, L. H. (2017). Inhibition of p25/Cdk5 Attenuates Tauopathy in Mouse and iPSC Models of Frontotemporal Dementia. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience, 37(41), 9917–9924. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0621-17.2017

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[11] Brennand, K. J., Simone, A., Jou, J., Gelboin-Burkhart, C., Tran, N., Sangar, S., Li, Y., Mu, Y., Chen, G., Yu, D., McCarthy, S., Sebat, J., & Gage, F. H. (2011). Modelling schizophrenia using human induced pluripotent stem cells. Nature, 473(7346), 221–225. https://doi.org/10.1038/nature09915

 

撰文|陳品萱
審稿|張芷榕

About the author

陳 品萱

陳 品萱

2019國立陽明大學基因體科學研究所碩士畢,主要研究興趣為人類遺傳學與基因體學,對於congenital anomalies & developmental diseases的源起與遺傳背景格外好奇並持續探索中。曾參與2015 iGEM,並於大學期間擔任職涯沙龍副召及營隊教學長。喜愛科學傳播與寫作,期盼在Investigator與來自不同領域的人們交流,共同學習與成長。

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