Hoe menselijke geïnduceerde pluripotente stamcellen een geneesmiddelenontdekkingsrevolutie ontketenen

02-08-2021

Geneesmiddelenontdekking is een hulpbronintensief proces dat wordt geplaagd door veel mislukkingen.

Een gebrek aan goede preklinische modellen leidt er vaak toe dat geïdentificeerde geneesmiddelenkandidaten weinig efficiënt blijken in klinisch onderzoek op mensen. Cellen die zijn afgeleid van menselijke geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSCs) zijn beter in staat de pathofysiologie van menselijke ziektes te recapituleren en zijn aan een opmars bezig als favoriet instrument voor de modellering van ziektes en voor onderzoek naar geneesmiddelen.

De ontdekking en ontwikkeling van geneesmiddelen worden vaak geassocieerd met torenhoge kosten, die vaak worden toegeschreven aan de hoge mislukkingsgraad van het geneesmiddelenontdekkingsproces.

Zo raakt 90% van de geïdentificeerde geneesmiddelenkandidaten bijvoorbeeld niet voorbij het fase 1-stadium van klinisch onderzoek. De voornaamste reden hiervoor is het gebruik dat wordt gemaakt van preklinische modellen die de menselijke respons op geneesmiddelen niet afdoende recapituleren.

Tot de conventionele preklinische modellen behoren dieren zoals ratten, konijnen, guinese biggetjes, niet-menselijke primaten, waaronder apen en chimpansees, alsook primaire menselijke gedifferentieerde cellen.

Er heerst een gebrek aan goede preklinische modellen die de menselijke respons op een geneesmiddel accuraat kunnen voorspellen”, zegt Malathi Raman, Senior Product Manager Stamcellen van Takara Bio Europe.

Dierenmodellen recapituleren de pathofysiologie van veel menselijke ziektes niet. Ze zijn evenmin in staat op betrouwbare wijze potentiële schade aan het hart, de nieren of de lever te detecteren, omdat hun fysiologie, immuunsysteem en genetica verschillen van die van mensen.

En hoewel primaire menselijke gedifferentieerde cellen menselijke ziektes beter recapituleren dan dierenmodellen, is hun voorraad beperkt (ethische bekommernissen), variëren ze al naargelang de donor, en kunnen ze meestal niet in vitro worden geëxpandeerd”, voegt Raman hieraan toe.

De ontdekking van hiPSC’s

In 2006 introduceerden de Japanse onderzoeker Shinya Yamanaka en zijn team vier specifieke transcriptiefactor-genen in volwassen somatische cellen, die ze herprogrammeerden in een embryoachtig stamcelstadium. Ze noemden deze cellen geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC’s). Deze cellen hebben de eigenschap dat ze kunnen worden gedifferentieerd in om het even welk celtype van het menselijk lichaam.

Yamanaka’s ontdekking opende een waaier van mogelijkheden voor ziektemodellering, zoals de ontwikkeling van hiPSC-afgeleide pancreatische betacellen of dopaminergische neuronen met een ziektefenotype van patiënten met respectievelijk diabetes of de ziekte van Parkinson. Voor dit werk ontving Yamanaka in 2012 de Nobelprijs voor Geneeskunde.

Voorafgaand aan de ontdekking van menselijke iPSC’s (hiPSC’s) moesten de onderzoekers het stellen met pluripotente menselijke embryonale stamcellen, wat problematisch was gezien hun beperkte beschikbaarheid.

“Dankzij hiPSC’s is dit probleem nu van de baan, omdat we ze kunnen herprogrammeren uit makkelijk verkrijgbare volwassen somatische cellen van patiënten of gezonde individuen, waarna we ze kunnen differentiëren naar het gewenste celtype”, legt Raman uit. Dankzij hun gebruiksvriendelijkheid en veelzijdigheid zijn hiPSC’s bezig aan een opmars als favoriete oplossing voor onderzoekers.

Hoe vereenvoudigen hiPSC’s geneesmiddelenontdekking?

Aangezien we ze kunnen afleiden van patiënten met specifieke ziektes, kunnen we hiPSC’s gebruiken voor een nauwkeurige imitatie van menselijke ziektes op cellulair en moleculair niveau. Dat biedt een groot voordeel qua ziektemodellering en geneesmiddelenontdekking.

Bovendien kunnen ze ook worden afgeleid van gezond weefsel en gezonde cellen, zoals van de huid of het bloed. Dit maakt vergelijkende studies mogelijk tussen zieke en gezonde cel- en weefselstalen, zelfs bij hetzelfde individu. Het is zelfs zo dat hiPSC’s die zijn afgeleid van een specifiek individu kunnen worden gedifferentieerd in diverse onderscheiden celtypes. Dat biedt een complexer spectrum van een specifieke ziekte.

“In tegenstelling tot dierenmodellen, bieden hiPSC’s onderzoekers de mogelijkheid in vitro ‘klinische onderzoeken’ te voeren, waarbij geneesmiddelen kunnen worden onderzocht op toxiciteit en efficiëntie in gedifferentieerde hiPSC-afgeleide cellen van specifieke patiënten”, aldus Raman.
Dit leidt tot de identificatie van efficiënte geneesmiddelen. Die kunnen we dan testen en bij dezelfde patiënten in vivo correleren. Dergelijke in vitro studies kunnen leiden tot een betere classificatie van de patiënten, lagere samenstellingsratio’s, en de identificatie van veiliger geneesmiddelen.”

Van patiënten afgeleide hiPSC’s hebben ons ook in staat gesteld reeds goedgekeurde geneesmiddelen te herbestemmen voor andere ziektes die geen of beperkte behandelingsopties hebben. “Dit bleek al het geval voor amyotrofische laterale sclerose, spinale musculaire atrofie en de ziekte van Alzheimer”, voegt Raman hieraan toe.

En terwijl conventionele primaire menselijke gedifferentieerde cellen in cultuur weinig groeicapaciteiten bezitten, prolifereren hiPSC’s voortdurend en bieden ze een onuitputtelijke bron van stroomafwaartse hiPSC-afgeleide gedifferentieerde cellen. Dit is vooral nuttig omdat het de variabiliteit tussen donoren beperkt, een variabiliteit die we vaak vaststellen bij datasets die worden gegenereerd met primaire menselijke gedifferentieerde cellen.

HiPSC’s wijzigen met CRISPR

De genetische oorzaak van een aantal menselijke ziektes is onbekend. Voor andere ziektes stellen genoombewerkingsinstrumenten zoals CRISPR-Cas9 ons in staat de rol van specifieke genotypes bij diverse ziektes te onderzoeken.

Met behulp van CRISPR kunnen we ziektespecifieke genotypes in de van patiënten afgeleide hiPSC’s bewerken om hun rol in de ontwikkeling en het verloop van de ziekte te bestuderen.

Voor zeldzame ziektes zijn van patiënten afgeleide hiPSC’s mogelijk niet beschikbaar. In die gevallen kan CRISPR worden gebruikt om mutaties te introduceren en ‘verziekte’ cellijnen te creëren. Die kunnen we dan gebruiken voor verder onderzoek.

CRISPR-genoombewerking stelt ons in staat sitespecifieke genetische veranderingen te introduceren in hiPSC’s. Daartoe behoren de introductie van ziekteveroorzakende mutaties en de correctie van ziekteveroorzakende mutaties in respectievelijk normale en zieke cellijnen, via gen- knock-out/knock-in-experimenten”, zegt Raman.

Deze techniek maakt ook de creatie mogelijk van isogene (genetisch gematchte) hiPSC-lijnen – waarbij de genetische achtergronden gelijkaardig zijn en de lijnen alleen verschillen wat betreft de met behulp van CRISPR toegevoegde of weggenomen mutatie. “Isogene lijnen zijn een zeer gecontroleerd systeem, waarin elk fenotypisch verschil eerder het resultaat zal zijn van deze specifieke wijziging”; aldus nog Raman.

Beperkingen uit de wereld helpen

HiPSC’ hebben echter ook hun beperkingen. Het aanmaken van hiPSC’s kan duur en tijdrovend zijn, en kleine variaties in de behandeling van culturen kunnen leiden tot reproduceerbaarheidsproblemen voor verschillende labo’s.

HiPSC-afgeleide cellen hebben bovendien de neiging eerder fetale celachtige kenmerken te vertonen en ze zijn niet volledig volgroeid. In vergelijking daarmee zijn cellen in orgaanweefsel ouder en accumuleren ze volwassen kenmerken naarmate ze ouder worden. HiPSC-afgeleide cellen aanwenden om ziektes met late aanvang zoals Alzheimer of Parkinson te modelleren, wordt aldus een grotere uitdaging. Om dergelijke problemen op te lossen, dienen we cellulaire veroudering te induceren om de ziektekenmerken te repliceren in de hiPSC-afgeleide cellen.

“HiPSCs zijn ideale modellen voor het bestuderen van aandoeningen die worden veroorzaakt door mutaties in één enkel gen, maar complexe aandoeningen met een lage penetratiegraad en een aberrante patroonvorming van doelwitorganen zijn moeilijker te modelleren met behulp van hiPSC’s”, legt Raman uit.

Om onderzoekers te helpen bij een vlotte start van hun op hiPSC’s gebaseerde ziektemodellerings- en geneesmiddelenontwikkelingsstudies –en in het bijzonder studies waarvoor de tijd of de plaatselijke expertise ontbreekt – heeft Takara Bio een robuust hiPSC-cultuursysteem ontwikkeld; kant-en-klare hiPSC’s en ook hiPSC-afgeleide gedifferentieerde cellen die kunnen worden gebruikt om organen zoals het hart, de lever, de darmen en de pancreas te modelleren.

Bovendien biedt Takara Bio ook een gamma van standaard stamceldiensten aan, waaronder CRISPR-Cas9-genbewerking. Dit stelt onderzoekers in staat hun op hiPSC gebaseerde ziektemodelleringsprojecten gedeeltelijk of volledig te outsourcen.

De onderneming heeft ook protocollen ontwikkeld voor de productie op industriële schaal van hiPSC-afgeleide levercellen, die we kennen onder de naam hepatocyten. Deze zijn geschikt voor de studie van leverziektes zoals non-alcoholische steatohepatitis (NASH).

Een team van Zweedse en Nederlandse onderzoekers heeft trouwens de hiPSC-afgeleide hepatocyten (hiPS-HEP) van Takara Bio vergeleken met primaire hepatocyten. Het stelde daarbij een paar verschillen vast, maar de hiPS-HEP-cellen van Takara Bio bleken toch erg te lijken op de volwassen primaire hepatocyten, en ze hadden veel kenmerken en functies gemeen.

De onderzoekers stelden ook vast dat de hiPS-HEP-cellen van Takara Bio ook in co-cultuur konden worden gebracht in 2D- en 3D-sferoïden met specifieke levercellen die we kennen als primaire hepatische stellate cellen. Dit toont het potentieel aan voor een betere NASH-ziektemodellering.

De toekomst van preklinische in vitro modellen

Afgezien van hiPSC’s, maken ook andere preklinische in vitro modellen een evolutie door. Onderzoekers maken tegenwoordig bijvoorbeeld gebruik van organoïden om de 3D-complexiteiten van organen in vitro te simuleren.

Er wordt ook vooruitgang geboekt op het gebied van microvloeistoffen en orgaan-op-chip-technologieën die de replicatie op kleinere schaal van modellen vergemakkelijken, wat kostbare hulpbronnen uitspaart.

Zo maakt een team van Franse en Japanse onderzoekers bijvoorbeeld gebruik van de hiPSC-afgeleide Betacellen van Takara Bio om een op-een-chip-model van een op een 3D sferoïde gebaseerde pancreas te creëren. Ze gebruikten dit om pancreasziekte en diabetes te modelleren en om antidiabetesgeneesmiddelen te screenen.

In de nabije toekomst zal de verdere ontwikkeling van op hiPSC’s gebaseerde modellen geneesmiddelenfabrikanten en onderzoekers van betere modellen voorzien om de veiligheid en efficiëntie van geneesmiddelen te testen. Dit zal kostbare tijd en hulpbronnen uitsparen omdat we zo kunnen voorkomen dat klinisch onderzoek in een laat stadium mislukt”, zo besluit Raman.
 

Share