Nieuwe ziektemodellen die geheimen van neurologisch onderzoek ontsluiten

Technologische vooruitgang, zoals in vitro en microfluidica, heeft het onderzoek vooruit geholpen

De Amerikaanse bevolking vergrijst en het aantal mensen is ouder dan 65 jaar zal naar verwachting 80,8 miljoen bereiken tegen 2040 meer dan het dubbele van het aantal in 2000. Dit zal er helaas ook toe leiden dat meer mensen neurodegeneratieve ziekten ontwikkelen, zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson. Deze ziekten nemen nu al snel toe over de hele wereld, tot het punt waarop ruim een ​​derde van de bevolking wordt beïnvloed door neurologische aandoeningen, waardoor het de belangrijkste oorzaak is van ziekte en invaliditeit.

Hoewel het frustrerend kan zijn als we op genezing wachten, vooral als we zien hoe onze dierbaren, en soms zelfs onszelf, aan deze ziekten bezwijken, zijn er de afgelopen decennia grote technologische ontwikkelingen geweest die ons veel dichter bij elkaar hebben gebracht. naar dat resultaat.

Concreet, in vitro technologie, waardoor laboratoria ziektemodellering kunnen uitvoeren, waarin ze representatieve systemen kunnen creëren die het gedrag van ziekten op menselijke cellen nabootsen in plaats van op dieren. In vitro is Latijn voor ‘in het glas’, waardoor het een passende term is om te verwijzen naar ziektemodellering buiten het lichaam, of in dit geval in een petrischaaltje.

Van dierproeven tot stamcellen

De afhankelijkheid van dierproeven heeft de afgelopen dertig jaar geleid tot een ‘kerkhof van medicijnen’ terwijl we proberen aandoeningen van het centrale zenuwstelsel te genezen, zei Thomas Durcan, universitair hoofddocent aan het Montreal Neurological Institute (The Neuro) aan de McGill University, tegen mij .

“Er komen medicijnen uit; ze zijn de smaakmaker van de maand, en dan gaan ze naar fase twee, drie onderzoeken, en vaak werken de gegevens niet zoals we zouden willen. Veel daarvan komt doordat de ziekte erg complex; we proberen de ziekte in diermodellen te modelleren en vaak zijn er verschillen tussen dat en wat een mens is, ‘zei hij. “Dat is waar de kloof zat: hoe kun je de cellen van de hersenen gebruiken en experimenten echt opschalen en dan daadwerkelijk beter begrijpen waarom een ​​hersenziekte plaatsvindt of wat er aan de hand zou kunnen zijn met een bepaald gen, bijvoorbeeld of het gemuteerd is of aangetast?”

Dankzij de introductie van in vitro technologie begint deze kloof te dichten. Vóór 2006 was onderzoek voor alles wat preklinisch was, sterk afhankelijk van dierstudies, eenvoudigweg omdat de barrière voor het gebruik in vitrowat betekent dat je rechtstreeks met celcultuur zou werken, was gewoon te hoog, en op dat moment was het niet per se de moeite waard.

Vooral de laatste vijf tot tien jaar in vitro is steeds geavanceerder geworden dankzij het aantal beschikbare celtypen waarin onderzoekers stamcellen kunnen differentiëren. De afgelopen jaren is er veel aandacht geweest voor het uitzoeken hoe we steeds meer celtypen kunnen maken, maar ook hoe we ze op een fysiologisch relevante manier kunnen gebruiken. Dat betekent dat, in tegenstelling tot onderzoeken die worden gedaan op monsters van een dier, ze op menselijke cellen kunnen worden gedaan, omdat elk celtype van het menselijk lichaam nu kan worden omgezet in een stamcel, die vervolgens kan worden gemaakt in wat je maar wilt. zijn. Bijvoorbeeld een cel uit het hart of een cel uit de lever, waardoor onderzoekers veel meer flexibiliteit krijgen in wat ze willen onderzoeken.

Dit maakt experimenten ook voorspellender: “Als medicijnen worden getest in een fysiologisch relevant menselijk model, in plaats van in een dier, hopen we dat de resultaten die met die experimenten worden bereikt nuttiger zullen zijn in termen van hoe ze bij een patiënt zullen werken” zei Emma V. Jones, hoofdwetenschapper, in vitro neurobiologie, bij Medicines Discovery Catapult (MDC), een onafhankelijke non-profitorganisatie en onderdeel van het Catapult Network opgericht door Innovate UK. De visie van MDC is om de ontdekking van geneesmiddelen opnieuw vorm te geven door middel van partnerschappen.

“Het is echter een heel, heel moeilijke uitdaging om iets in een laboratorium zich te laten gedragen en reageren en eruit te laten zien als iets zoals het bij een persoon zou zijn,” legde ze uit.

“Historisch gezien zouden mensen cellijnen en knaagdiercellen hebben gebruikt, maar in de afgelopen tien jaar heeft er een enorme uitbreiding plaatsgevonden in het gebruik van van stamcellen afgeleide menselijke modellen, wat vooral is wat we gebruiken.”

Celtypen toegankelijk maken

Om een ​​relevanter menselijk model te maken, hebben wetenschappers meer componenten nodig, inclusief stamceltechnologieën, die essentieel zijn om de celtypen toegankelijker te maken. Geïnduceerde pluripotente stamceltechnologieën (iPSC) zijn krachtig genoeg om de celtypen te creëren, maar ook om celtypen met een bepaalde ziekte te creëren, waardoor onderzoek naar deze ziekten veel toegankelijker wordt.

Dit alles is gunstig voor de patiënt, legde Durcan uit, omdat ze alleen maar bloed hoeven te geven, wat gemakkelijk is, en iets waar ze heel graag toe bereid zijn, vooral als het betekent dat ze mogelijk hun neurodegeneratieve ziekte kunnen genezen.

“Als patiënten binnenkomen, willen ze daadwerkelijk vooruitgang zien en daarom zijn ze bereid om materialen te geven, en een van die materialen is toevallig bloed. We kunnen het bloed afnemen en er stamcellen van maken, zodat je nu kunt hebben Bij veel verschillende patiënten, laten we zeggen, met Parkinson, kun je nu hun cellen op een schaaltje maken, hun neuronen op een schaaltje, en dan kun je beginnen te begrijpen waarom ze deze ziekte krijgen,’ legde hij uit.

“Als we weten waarom ze de ziekte krijgen, kun je daadwerkelijk gaan kijken of er een interventie is die misschien het fenotype dat we op het bord zien, zou kunnen redden.” Fenotype verwijst naar waarneembare kenmerken van een organisme, zoals hormoonspiegels.

Microfluïdische apparaten

Een andere belangrijke technologische vooruitgang is de proliferatie van microfluïdische apparaten, die een kleine chip bevatten, bedrukt met zeer kleine kanalen en reactiekamers, die krachten zoals elektrokinetiek, capillair en vacuüm gebruiken om vloeistofmonsters te mengen en te scheiden.

Deze apparaten hebben een aantal voordelen ten opzichte van systemen van conventionele grootte, zoals het mogelijk maken van analyse en gebruik van kleinere volumes monsters, chemicaliën en reagentia, waardoor toepassingen goedkoper worden.

“Microfluidics-apparaten kunnen ziektemechanismen testen die je niet kunt testen met standaardsystemen. Deze apparaten bieden de mogelijkheid om ziektemechanismen te testen in vitro dat je voorheen niet kon. Het vermindert ook het gebruik van dieren, omdat we dan complexere experimenten kunnen doen in vitrobetekent het dat we het soort experimenten dat in vivo met dieren wordt uitgevoerd, kunnen verminderen”, aldus Jones van MDC.

Deze microfluïdische apparaten voegen een extra laag complexiteit toe in vergelijking met de standaard microplaten met 96 putjes, waarbij alle cellen bij elkaar zitten in plaats van gescheiden. Met microfluïdica kun je twee verschillende celtypen isoleren, wat betekent dat als je aan de ene kant neuronen hebt en aan de andere kant een ander celtype, je aan de ene kant iets kunt toevoegen en dan kunt kijken hoe het zich naar de andere kant verspreidt. Dat zou niet mogelijk zijn in een plaat met 96 putjes, omdat deze zich allemaal in dezelfde vloeistof zou bevinden. “In een plaat met 96 putjes zitten de cellen allemaal door elkaar, ze zitten allemaal in hetzelfde medium, dus het is niet zo dat je naar één celtype in je cultuur kunt gaan en dat specifiek kunt stimuleren of naar de reacties kunt kijken die daardoor worden geproduceerd. cel”, legt Eve Corrie, wetenschapper, in vitro neurobiologie, bij MDC uit.

“We gebruiken ook microfluïdica om synapsen te modelleren – de plaats waar neuronen verbinding maken en met elkaar communiceren – in situaties waarin het neuroncellichaam echt ver weg is van zijn terminal (eindpunt). In het lichaam is de grootste hersencel zoals een meter lang van het cellichaam tot het uiteinde van zijn axon, of projectie van de zenuwcel. Dus hoe modelleer je dat in een plaat met 96 putjes waar het allemaal samen is?’ ze zei. Om een ​​analogie te geven: axonen zijn als de elektrische draden die neuronen met elkaar verbinden, en synapsen zijn de overdrachtspunten daartussen.

“In de microfluïdica kun je je axon en je cellichamen afzonderlijk gebruiken, je kunt ze afzonderlijk behandelen en afzonderlijk naar de reacties kijken.”

De eNuvio-oplossing

Eén bedrijf in de microfluïdische ruimte is dat wel eNuviodat apparaten heeft ontwikkeld die het lichaam kunnen simuleren, zodat onderzoekers dierproeven kunnen omzeilen.

Deze apparaten worden gebruikt door zowel The Neuro als MDC; De Neuro worstelde vier uur per dag met het veranderen van de media, of de oplossing waarin organoïden werden gekweekt. Organoïden zijn kleine stukjes orgaan die in een laboratorium worden gekweekt. Door eNuvio de afgelopen zes jaar te gebruiken, heeft The Neuro al dat handwerk vermeden, omdat het wisselen van de oplossing geautomatiseerd was in het eNuvio-systeem. In plaats van een paar weken de tijd te nemen om organoïden te maken, stelde eNuvio hen in staat binnen een week dezelfde hoeveelheid te maken en deze schaal heeft The Neuro tot veel vooruitgang geleid, vooral op het gebied van Parkinson.

“Dankzij deze apparaten konden we daadwerkelijk zien of we deze stamcellen konden nemen, hersenorganoïden konden maken en de kenmerken van Parkinson daadwerkelijk in een schaaltje konden modelleren. Vervolgens konden we geleidelijk aan proteomics-onderzoeken met hen doen”, aldus Durcan van The Neuro. Proteomics is de studie van het volledige eiwit van een organisme, dat wordt gebruikt om ziekten te diagnosticeren en medicijndoelen te ontdekken om medicijnresistentie te overwinnen.

“We hebben feitelijk veel van de genen kunnen bestuderen die betrokken zijn bij de ziekte van Parkinson, kunnen begrijpen waarom dit gebeurt, en dit doen in de context van een model dat bijna het dichtst in de buurt komt van wat je bij een mens zult zien. brein.” Terwijl andere bedrijven oplossingen voor microfluïdica aanbieden, heeft eNuvio The Neuro geholpen het aantal uren dagelijkse handenarbeid te verminderen.

MDC gebruikt ondertussen de apparaten van eNuvio om situaties in het lichaam te modelleren waarin cellen van elkaar worden gescheiden, iets dat moeilijk zou zijn met gelijktijdig gekweekte cellen of andere ziektemechanismen, zoals de verspreiding van pathogene geaggregeerde eiwitten.

“We hebben de microfluïdica van eNuvio gebruikt om een ​​zekere mate van ruimtelijke scheiding in onze culturen te bereiken, en ook vloeistofisolatie, omdat je ervoor kunt zorgen dat de vloeistof alleen van de ene richting naar de andere gaat”, zei Corrie. “Het zet een geheel nieuwe test op met eiwitzaaien in de context van neurodegeneratie, en dat is compleet nieuw voor ons vanwege deze microfluïdische apparaten.” Celzaaien betekent eenvoudigweg het verspreiden van die cellen in een vat (in dit geval een microfluïdisch apparaat) zodat ze kunnen worden gebruikt in kweekexperimenten.

“Vroeger konden we de verspreiding van pathogene eiwitten die betrokken zijn bij neurodegeneratie niet goed modelleren, maar nu zijn we in staat dat te doen. We zijn nu in staat om vernieuwers van geneesmiddelen te helpen die therapieën ontwikkelen om dat te bereiken,” zei Jones van MDC.

Terwijl de meeste microfluïdische kamers gesloten kanalen hebben, hebben die van eNuvio open kamers die het gemakkelijker maken om cellen in te zaaien, legt Corrie van MDC uit.

“Deze cellen door het kanaal zaaien is behoorlijk lastig om correct uit te voeren en als ze er eenmaal zijn, heb je er niet bepaald gemakkelijk toegang toe, omdat ze in een afgesloten kanaal zitten. De eNuvio’s hebben gewoon een open kamer, zodat je je cellen daar gemakkelijk kunt laten zitten en dan kun je de vloeistof waarin ze zitten ook heel gemakkelijk verwijderen of vervangen, ‘zei ze.

MDC heeft ook gekeken naar verschillende leveranciers van microfluïdische apparaten, maar er zijn een paar dingen die ze aantrekkelijk vonden aan eNuvio. Het eerste was dat hun apparaten klaar waren voor gebruik: in tegenstelling tot sommige andere apparaten, waar je glazen dekglaasjes op moet plakken met plasma, en ze zijn niet zomaar klaar om je cellen in te plaatsen, die van eNuvio wel en ze zijn steriel. Dat betekent dat je ze gewoon uit de zak haalt en je cellen erin stopt.

Conclusie

Door onderzoekers te laten zien hoe medicijnen interageren met menselijke cellen in plaats van met dieren, vinden deze technologieën leuk in vitro en microfluïdica geven ze niet alleen meer controle over de cellen waarmee ze werken, waardoor experimenten nauwkeuriger worden, maar ze zorgen er ook voor dat dat onderzoek sneller kan worden uitgevoerd.

Deze vooruitgang betekent een gamechanger voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen en therapieën, en zou kunnen betekenen dat we heel goed binnen ons leven eindelijk een remedie kunnen zien voor sommige van deze neurodegeneratieve ziekten.

(Afbeeldingsbron: farmaceutische technologie.com)