Welchen Wert hat die iPSC-Technologie in der Herzforschung?

Laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) gehören Herz-Kreislauf-Erkrankungen, insbesondere die koronare Herzkrankheit, weltweit zu den häufigsten Todesursachen. Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen jedes Jahr zu etwa 17,9 Millionen Todesfällen. Dies sind etwa 31 % aller Todesfälle weltweit (1). Medizinische Forscher arbeiten ständig an Möglichkeiten, diese Zahlen zu reduzieren, einschließlich der Entwicklung neuer Technologien zur Bekämpfung des vorzeitigen Todes durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Bedeutung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) in der Herzforschung .

Was sind induzierte pluripotente Stammzellen?

iPSCs sind eine Art pluripotenter Stammzellen . Dies sind Basiszellen, die sich in jede Zelle oder jedes Gewebe differenzieren können, die der Körper benötigt. Sie werden direkt aus somatischen Zellen durch die ektopische Expression verschiedener Transkriptionsfaktoren wie z

• Der 4. Oktober
• sox2,
• Klf4 und
• c-Myc (OSKM) (2)

Sie sind zu Schlüsselwerkzeugen für die Modellierung biologischer Prozesse geworden, insbesondere in Zelltypen, die für lebende Spender schwer zugänglich sind. Viele Forschungslabors arbeiten daran, die Effizienz der Reprogrammierung zu verbessern, indem sie verschiedene Kombinationen von Transkriptionsfaktoren testen.

IPSCs sind in einigen Bereichen der medizinischen Forschung wichtig

iPSCs sind in einer Reihe verschiedener Forschungsbereiche, einschließlich der Kardiologie, unverzichtbar geworden.

Dies ist aus zwei Hauptgründen eine wertvolle und vorteilhafte technologische Entwicklung:

1. iPSCs können sich in beliebige Zellen differenzieren.
2. Sie stammen aus adulten Zellen des Patienten (2).

iPSCs versus embryonale Stammzellen

Die meisten Menschen haben von embryonalen Stammzellen gehört, die eine Art pluripotenter Zellen sind. Wie iPSCs können sie verwendet werden, um beschädigtes Gewebe zu ersetzen oder zu reparieren.

Das Problem ist, dass embryonale Stammzellen nur in Embryonen vor der Implantation gefunden werden (3). Während iPSCs erwachsene Zellen sind, die genetisch modifiziert wurden, um wie embryonale Stammzellen zu funktionieren. Daher der Begriff induzierte pluripotente Stammzellen.

Die Entwicklung von iPSCs hat sich als vorteilhaft erwiesen, da keine Embryonen benötigt werden. Dies reduziert die Kontroversen im Zusammenhang mit der Erzeugung und Verwendung von Stammzellen. Darüber hinaus sind iPSCs von menschlichen Spendern auch besser mit Patienten kompatibel als tierische iPSCs, wodurch sie ihren fötalen Verwandten noch näher stehen.

Der japanische Erfinder von iPSCs, Professor Shinya Yamanaka, erhielt 2012 den Nobelpreis „für seine Entdeckung, dass reife Zellen umprogrammiert werden können, um pluripotent zu werden“. (4) Die Auszeichnung wurde Dr. Yamanaka verliehen, weil diese Technologie von großer medizinischer und wissenschaftlicher Bedeutung ist.

Was können IPSCs tun? Antwort: viel

iPSCs bieten große Aussichten für eine Transplantation. Darüber hinaus sind sie sehr nützlich bei der Arzneimittelentwicklung und der Modellierung von Krankheiten.

iPSCs können in der Transplantationsmedizin wichtig werden, weil die daraus gewonnenen Gewebe nahezu identisch mit den Zellspendern sind. Dies kann möglicherweise die Wahrscheinlichkeit einer Abstoßung durch das Immunsystem verringern (5).

In Zukunft und mit genügend Forschung ist es sehr wahrscheinlich, dass Forscher in der Lage sein werden, die iPSC-Technologie so zu verfeinern, dass sie Zellen effektiv umprogrammieren und beschädigtes Gewebe im ganzen Körper reparieren kann.

iPSCs benötigen keine Embryonen und können für bestimmte Patienten angepasst werden. Dies macht sie sowohl für die Forschung als auch für die Medizin äußerst nützlich.

Jede Person mit geschädigtem oder erkranktem Gewebe kann ihre eigenen pluripotenten Stammzellen haben, die dazu bestimmt sind, sie zu ersetzen oder zu reparieren. Natürlich ist noch mehr Forschung erforderlich, bevor dies Realität wird. Bisher war die Verwendung von iPSCs in therapeutischen Transplantaten sehr begrenzt.

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Einer der wichtigsten Bereiche, in denen iPSCs derzeit eingesetzt werden, ist die Herzforschung. Mit den geeigneten Nährstoffen und Induktoren können iPSCs so programmiert werden, dass sie sich in jede Art von Körperzelle differenzieren, einschließlich Kardiomyozyten. Diese herzspezifischen Zellen könnten dann als hervorragendes Modell für das therapeutische Wirkstoffscreening oder die Testentwicklung dienen.

Eine weitere wichtige Anwendung von iPSCs in der Herzforschung ist die optische Mapping-Technologie. Die optische Kartierungstechnologie verwendet Hochgeschwindigkeitskameras und Fluoreszenzmikroskopie, um die Ätiologie und Behandlung von Herzrhythmusstörungen in patientennahen Umgebungen zu untersuchen. Dies erfolgt üblicherweise durch Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von vielzelligen Herzpräparaten. Aktionspotential oder Calciumtransient bei hoher raumzeitlicher Auflösung (6).

Die optische Kartierungstechnologie kann Daten vom iPSC korrekt aufzeichnen oder empfangen. iPSCs sind auch nützlich, um die Kardiomyozyten eines Patienten mit ihrem spezifischen Verhalten nachzuahmen, was zuverlässigere und qualitativ hochwertigere Daten zu Herzerkrankungen ermöglicht.

Warum sind iPSCs in der Herzforschung so nützlich?

iPSCs sind aus folgenden Gründen wichtige Werkzeuge in der Herzforschung:

• Fähigkeit, den Patienten zu personalisieren
• Ihr erfolgreicher Einsatz in der medikamentösen Therapie.
• Möglichkeit der Modellierung erblicher Herzerkrankungen (8).

iPSCs sind patientenspezifisch, da sie zu 100 % genetisch identisch mit ihren Spendern sind. Eine solche genomische Struktur ermöglicht es Forschern, die Pathologie von Patienten weiter zu untersuchen und Therapeutika für die Behandlung ihrer Herzerkrankungen zu entwickeln.

Aus pluripotenten Stammzellen gewonnene induzierte Kardiomyozyten (iPSC-CM) helfen Forschern, die Kardiotoxizität von Medikamenten vorherzusagen, ebenso wie häufig verwendete chemotherapeutische Reagenzien (10). Solche Vorhersagen waren nahezu unmöglich, bevor die iPSC-Technologie in das Forschungsspiel eintrat.

Die Fähigkeit von iPSCs, Krankheiten zu modellieren

iPSCs spielen eine wichtige Rolle bei der Krankheitsmodellierung. Da iPSCs genetisch auf ihre lebenden Spender abgestimmt sind, sind sie in einzigartiger Weise nützlich für die Untersuchung genetischer Herzerkrankungen wie monogener Erkrankungen. iPSCs helfen Forschern zu verstehen, wie sich Krankheitsgenotypen auf genetischer Ebene als Phänotypen auf zellulärer Ebene manifestieren (5).

Das Long-QT-Syndrom, eine Erkrankung, die die Repolarisation des Herzens eines Patienten nach einem Herzschlag beeinflusst, ist ein Paradebeispiel für die iPSC-basierte Krankheitsmodellierung (7). Dieses Syndrom wurde erfolgreich unter Verwendung von iPSCs modelliert und ist ein hervorragendes Modell für andere vielversprechende Zielkrankheiten (7).

Das Long-QT-Syndrom ist nicht die einzige Krankheit, die mit iPSCs modelliert wurde. Andere Herzerkrankungen wurden ebenfalls modelliert, wie z. B. Kardiomyopathie in Verbindung mit dem Barth-Syndrom und medikamenteninduzierte Nierenschädigung (8).

Wichtige Erkenntnisse über iPSCS in der Herzforschung

• iPSCs können verwendet werden, um hervorragende Modelle für Herzstudien (z. B. Kardiomyozyten) zu erstellen, wodurch Forscher mehr über die Ätiologie von Krankheiten und deren Behandlung erfahren können.
• Da sie direkt von lebenden menschlichen Spendern stammen, sind sie zu 100 % genetisch mit dem Spender kompatibel.
• In vielen Fällen ersetzen iPSCs den Bedarf an embryonalen Stammzellen und vermeiden so die Kontroverse, die mit der Verwendung von Embryonen für Forschungszwecke verbunden ist.
• Viele Herzerkrankungen sind genetisch bedingt, darunter Arrhythmien, koronare Herzerkrankungen und Kardiomyopathie (9). Forscher verwenden iPSCs, um die Kardiotoxizität von Medikamenten zu testen, um die verheerenden Auswirkungen dieser erblichen Herzkrankheiten zu bekämpfen. Ziel ist es, Medikamente zu identifizieren, die am wahrscheinlichsten wirken, aber nur minimale Nebenwirkungen haben.
• iPSCs können gut mit optischer Kartierungstechnologie zusammenarbeiten, um genaue Messungen des betroffenen Herzens zu liefern. Dies ermöglicht Ihnen, eine individuelle Therapiestrategie für dieses Leiden zu erstellen. iPSCs können auch die Herzkrankheit eines Patienten simulieren, sodass Forscher mehr über die Krankheit und ihre Behandlung erfahren können.

Ergebnis

Mit dem Aufkommen der iPSC-Technologie haben sich viele neue Möglichkeiten und Anwendungen in der Erforschung und Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen eröffnet. Forscher hoffen, dass iPSC-basierte Therapien in naher Zukunft eine Option für Tausende, wenn nicht Millionen von Patienten weltweit werden.

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1. Faktenblatt zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD). Verfügbar unter: https://www.who.int/health-topics/cardiovascular-diseases/#tab=tab_1. Ab 4. Mai 2020
2. Takahashi K. und Yamanaka S. Induktion pluripotenter Stammzellen aus embryonalen und adulten Fibroblastenkulturen der Maus durch spezifische Faktoren. Zelle 126, 663–676 (2006).
3. Regenerative Medizin. Ministerium für Gesundheit und menschliche Dienste. August 2006 Kapitel 1.
4. Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2012 NobelPrize.org. Nobel Media AB 2020. Mo. 4. Mai 2020 https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2012/summary Abgerufen am 4. Mai 2020
5. Huang, K., Liu, K., Ting, K., ua Human iPSC Banking: Barriers and Opportunities. J Biomed Sci 26, 87 (2019). 1186/s12929-019-0578-x
6. Attin M., Kljusin V.T. Grundkonzepte optischer Kartierungsmethoden in der kardialen Elektrophysiologie. Biol Res Nurs. 2009; 11(2): 195-207. DOI: 10.1177 / 1099800409338516
7. Ilanit Itzhaki, Leonid Meisels, Irit Huber, Limor Zvi-Dantzis, Oren Kaspi, Aaron Winterstern, Oren Feldman, Amira Gepshtein, Gil Arbel, Chaim Hammerman, Monter Bulos, Lior Gepshtein. Modellierung des Long-QT-Syndroms mit induzierten pluripotenten Stammzellen. Die Natur. 10. März 2011; 471 (7337): 225–229. 16. Januar 2011 Doi: 10.1038 / nature09747
8. Low LA & Tagle DA (2017). Gewebechips sind innovative Werkzeuge für die Arzneimittelentwicklung und Krankheitsmodellierung. Labor. Chip 17, 3026-3036. 10.1039 / C7LC00462A
9. Katiresan S., Srivastava D. Genetik menschlicher Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Zelle. 2012; 148(6): 1242-1257. DOI: 10.1016 / j.cell.2012.03.001
10. Kim JJ Anwendung von iPSCs in der Krebsforschung. Biomark-Einblicke. 2015; 10 (Anlage 1): 125-131. Veröffentlicht am 29. Juli 2015 doi: 10.4137 / BMI.S20065