Изогенные модели заболеваний человека

Клетки, культивированные для медицинских исследований

Изогенные модели заболеваний человека представляют собой семейство клеток, которые выбираются или конструируются для точного моделирования генетики определенной популяции пациентов in vitro . Им предоставляется генетически подобранная «нормальная клетка», чтобы обеспечить изогенную систему для исследования биологии заболеваний и новых терапевтических средств. ^[1] Их можно использовать для моделирования любого заболевания с генетической основой. Рак является одним из таких заболеваний, для которого широко использовались изогенные модели заболеваний человека.

Исторические модели

Модели изогенных заболеваний человека сравнивают с «пациентами в пробирке», поскольку они включают в себя новейшие исследования генетических заболеваний человека и делают это без трудностей и ограничений, связанных с использованием нечеловеческих моделей. ^[2]

Исторически клетки, полученные от животных, как правило, мышей, использовались для моделирования путей, связанных с раком. Однако существуют очевидные ограничения, присущие использованию животных для моделирования генетически детерминированных заболеваний у людей. Несмотря на большую долю генетической консервации между людьми и мышами, существуют значительные различия между биологией мышей и людей, которые важны для исследований рака. Например, основные различия в регуляции теломер позволяют мышиным клеткам обходить необходимость в повышении регуляции теломеразы , что является ограничивающим скорость шагом в формировании рака у человека. В качестве другого примера, некоторые лиганд-рецепторные взаимодействия несовместимы между мышами и людьми. Кроме того, эксперименты продемонстрировали важные и существенные различия в способности трансформировать клетки по сравнению с клетками мышиного происхождения. По этим причинам по-прежнему важно разрабатывать модели рака, которые используют человеческие клетки. ^[3]

Векторы нацеливания

Изогенные клеточные линии создаются с помощью процесса, называемого гомологичным нацеливанием генов. Нацеливающие векторы, которые используют гомологичную рекомбинацию, являются инструментами или методами, которые используются для включения или выключения желаемой мутации, вызывающей заболевание, или SNP ( полиморфизм одного нуклеотида ), подлежащей изучению. Хотя мутации заболевания можно собирать непосредственно у пациентов с раком, эти клетки обычно содержат много фоновых мутаций в дополнение к конкретной интересующей мутации, и совпадающая нормальная клеточная линия обычно не получается. Впоследствии нацеливающие векторы используются для « включения » или « выключения » мутаций генов, что позволяет переключаться в обоих направлениях; от нормального к раковому генотипу; или наоборот; в охарактеризованных линиях клеток рака человека, таких как HCT116 или Nalm6. ^[4]

Существует несколько технологий таргетирования генов, используемых для создания желаемой мутации, наиболее распространенные из которых кратко описаны, включая основные преимущества и ограничения, в сводной таблице ниже.

Гомологичная рекомбинация в моделях раковых клеток

Гомологичная рекомбинация (HR) — это вид генетической рекомбинации, при котором генетические последовательности обмениваются между двумя схожими сегментами ДНК. HR играет важную роль в делении эукариотических клеток, способствуя генетическому разнообразию посредством обмена между соответствующими сегментами ДНК для создания новых и потенциально полезных комбинаций генов. ^{[ необходима цитата ]}

HR выполняет вторую жизненно важную роль в репарации ДНК, обеспечивая репарацию двухцепочечных разрывов ДНК, что является обычным явлением в течение жизненного цикла клетки. Именно этот процесс искусственно запускается вышеуказанными технологиями и запускается с целью создания «нок-инов» или «нок-аутов» в определенных генах 5, 7.

Недавнее ключевое достижение было обнаружено с использованием векторов гомологичной рекомбинации AAV, которые увеличивают низкие естественные показатели HR в дифференцированных клетках человека при сочетании с векторами-последовательностями, нацеленными на гены. ^{[ необходима цитата ]}

• 
  Схема типичного вектора rAAV (источник: https://www.horizondiscovery.com/gene-editing/raav)

Коммерциализация

Факторы, приведшие к недавней коммерциализации изогенных моделей раковых клеток человека для фармацевтической промышленности и исследовательских лабораторий, двояки. ^{[ необходима цитата ]}

Во-первых, успешное патентование усовершенствованной технологии векторов направленного действия заложило основу для коммерциализации клеточных моделей, которые являются результатом применения этих технологий. ^{[ необходима цитата ]}

Во-вторых, тенденция относительно низких показателей успешности фармацевтических исследований и разработок и огромные затраты создали реальную потребность в новых исследовательских инструментах, которые выявляют, как подгруппы пациентов будут реагировать положительно или устойчиво к таргетной терапии рака на основе их индивидуального генетического профиля. ^{[ необходима цитата ]}

Смотрите также

• ААВ
• Рекомбинация FLP-FRT
• Генная инженерия
• Гомологичная рекомбинация
  • в вирусах
  • Технологические приложения
  • Терапия рака
• Плазмида
• Геномная инженерия, опосредованная рекомбинантным AAV
• Синтетическая летальность
• Нуклеаза цинкового пальца

Ссылки

1. Torrance CJ, Agrawal V, Vogelstein B, Kinzler KW (октябрь 2001 г.). «Использование изогенных человеческих раковых клеток для высокопроизводительного скрининга и разработки лекарств». Nat. Biotechnol . 19 (10): 940–5. doi :10.1038/nbt1001-940. PMID  11581659. S2CID  21633547.
2. Гупта, Пиюш Б.; Купервассер, Шарлотта (2004). «Модели заболеваний рака молочной железы». Drug Discovery Today . 1 : 9–16. doi :10.1016/j.ddmod.2004.05.001.
3. Хирата Р., Чемберлен Дж., Донг Р., Рассел Д.В. (июль 2002 г.). «Целевая вставка трансгена в хромосомы человека с помощью векторов аденоассоциированного вируса». Nat. Biotechnol . 20 (7): 735–8. doi :10.1038/nbt0702-735. PMID  12089561. S2CID  11572520.
4. Мастерс Дж. Р. (декабрь 2000 г.). «Линии клеток рака человека: факты и фантазии». Nat. Rev. Mol. Cell Biol . 1 (3): 233–6. doi :10.1038/35043102. PMID  11252900. S2CID  21839266.
5. Engelhardt JF (август 2006 г.). «AAV попадает в геномную мишень». Nat. Biotechnol . 24 (8): 949–50. doi :10.1038/nbt0806-949. PMID  16900138. S2CID  26734696.
6. Урнов, Федор Д.; Ребар, Эдвард Дж.; Холмс, Майкл К.; Чжан, Х. Стив; Грегори, Филип Д. (2010). «Редактирование генома с помощью сконструированных нуклеаз цинковых пальцев». Nature Reviews Genetics . 11 (9): 636–646. doi :10.1038/nrg2842. PMID  20717154. S2CID  205484701.
7. Radecke S, Radecke F, Cathomen T, Schwarz K (апрель 2010 г.). «Репарация генов, вызванная нуклеазой цинкового пальца с помощью олигодезоксинуклеотидов: желаемые и нежелательные модификации целевого локуса». Mol. Ther . 18 (4): 743–53. doi :10.1038/mt.2009.304. PMC 2862519. PMID 20068556  . 

Источники

• Bardelli A , Parsons DW, Silliman N, et al. (Май 2003). "Мутационный анализ тирозинового кинома при колоректальном раке". Science . 300 (5621): 949. doi :10.1126/science.1082596. PMID  12738854. S2CID  85934154.
• Kohli M, Rago C, Lengauer C, Kinzler KW, Vogelstein B (2004). "Простые методы генерации нокаутов генов соматических клеток человека с использованием рекомбинантных аденоассоциированных вирусов". Nucleic Acids Res . 32 (1): 3e–3. doi :10.1093/nar/gnh009. PMC  373311. PMID  14704360 .
• Wang Z, Shen D, Parsons DW и др. (май 2004 г.). «Мутационный анализ тирозинового фосфатома при колоректальном раке». Science . 304 (5674): 1164–6. Bibcode :2004Sci...304.1164W. doi :10.1126/science.1096096. PMID  15155950. S2CID  2974833.
• Topaloglu O, Hurley PJ, Yildirim O, Civin CI, Bunz F (2005). "Улучшенные методы генерации линий клеток с нокаутированными и нокаутированными генами человека". Nucleic Acids Res . 33 (18): e158. doi :10.1093/nar/gni160. PMC  1255732. PMID  16214806 .
• Moroni M, Sartore-Bianchi A, Benvenuti S, Artale S, Bardelli A, Siena S (ноябрь 2005 г.). «Соматическая мутация каталитического домена EGFR и лечение колоректального рака гефитинибом». Ann. Oncol . 16 (11): 1848–9. doi : 10.1093/annonc/mdi356 . PMID  16012179.
• Di Nicolantonio F, Bardelli A (январь 2006 г.). «Мутации киназы при раке: трещины в броне врага?». Curr Opin Oncol . 18 (1): 69–76. doi :10.1097/01.cco.0000198020.91724.48. PMID  16357567. S2CID  25857889.
• Benvenuti S, Sartore-Bianchi A, Di Nicolantonio F и др. (март 2007 г.). «Онкогенная активация сигнального пути RAS/RAF ухудшает реакцию метастатического колоректального рака на терапию антителами к рецептору эпидермального фактора роста». Cancer Res . 67 (6): 2643–8. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-06-4158 . PMID  17363584.
• Arena S, Pisacane A, Mazzone M, Comoglio PM, Bardelli A (июль 2007 г.). «Генетическое нацеливание киназной активности рецептора Met в раковых клетках». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 104 (27): 11412–7. Bibcode :2007PNAS..10411412A. doi : 10.1073/pnas.0703205104 . PMC  2040912 . PMID  17595299.
• Konishi H, Karakas B, Abukhdeir AM и др. (сентябрь 2007 г.). «Внедрение мутантного K-ras в неканцерогенные эпителиальные клетки человека как новая модель для изучения трансформации, опосредованной K-ras». Cancer Res . 67 (18): 8460–7. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-07-0108 . PMID  17875684.
• Arena S, Isella C, Martini M, de Marco A, Medico E, Bardelli A (сентябрь 2007 г.). «Внедрение онкогенного Kras не трансформирует соматические клетки мышей, но запускает транскрипционный ответ, который классифицирует рак человека». Cancer Res . 67 (18): 8468–76. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-07-1126 . PMID  17875685.
• Grim JE, Gustafson MP, Hirata RK и др. (июнь 2008 г.). «Деградация субстрата, зависящая от изоформ и клеточного цикла, лигазой убиквитина Fbw7». J. Cell Biol . 181 (6): 913–20. doi :10.1083/jcb.200802076. PMC  2426948. PMID  18559665 .
• Fattah FJ, Lichter NF, Fattah KR, Oh S, Hendrickson EA (июнь 2008 г.). «Ku70, важный ген, модулирует частоту опосредованного rAAV генного нацеливания в соматических клетках человека». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 105 (25): 8703–8. Bibcode :2008PNAS..105.8703F. doi : 10.1073/pnas.0712060105 . PMC  2438404 . PMID  18562296.
• Di Nicolantonio F, Martini M, Molinari F и др. (декабрь 2008 г.). «Дикий тип BRAF необходим для ответа на панитумумаб или цетуксимаб при метастатическом колоректальном раке». J. Clin. Oncol . 26 (35): 5705–12. doi : 10.1200/JCO.2008.18.0786. hdl : 2434/349662 . PMID  19001320. Архивировано из оригинала 15.04.2013.
• Di Nicolantonio F, Arena S, Gallicchio M и др. (декабрь 2008 г.). «Замена нормальных аллелей мутантными в геноме нормальных клеток человека раскрывает специфичные для мутаций лекарственные реакции». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 105 (52): 20864–9. Bibcode :2008PNAS..10520864D. doi : 10.1073/pnas.0808757105 . PMC  2634925 . PMID  19106301.
• Gustin JP, Karakas B, Weiss MB и др. (февраль 2009 г.). «Knockin of mutant PIK3CA activations multiple oncogenic pathways». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 106 (8): 2835–40. Bibcode :2009PNAS..106.2835G. doi : 10.1073/pnas.0813351106 . PMC  2636736 . PMID  19196980.
• Sartore-Bianchi A, Martini M, Molinari F и др. (март 2009 г.). «Мутации PIK3CA при колоректальном раке связаны с клинической резистентностью к моноклональным антителам, нацеленным на EGFR». Cancer Res . 69 (5): 1851–7. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-08-2466 . PMID  19223544.
• Sur S, Pagliarini R, Bunz F и др. (март 2009 г.). «Панель изогенных человеческих раковых клеток предлагает терапевтический подход к раку с инактивированным p53». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 106 (10): 3964–9. Bibcode :2009PNAS..106.3964S. doi : 10.1073/pnas.0813333106 . PMC  2656188 . PMID  19225112.
• Yun J, Rago C, Cheong I и др. (сентябрь 2009 г.). «Дефицит глюкозы способствует развитию мутаций пути KRAS в опухолевых клетках». Science . 325 (5947): 1555–9. Bibcode :2009Sci...325.1555Y. doi :10.1126/science.1174229. PMC  2820374 . PMID  19661383.
• Sartore-Bianchi A, Di Nicolantonio F, Nichelatti M и др. (2009). Cordes N (ред.). "Мультидетерминантный анализ молекулярных изменений для прогнозирования клинической пользы моноклональных антител, нацеленных на EGFR, при колоректальном раке". PLOS ONE . ​​4 (10): e7287. Bibcode :2009PLoSO...4.7287S. doi : 10.1371/journal.pone.0007287 . PMC  2750753 . PMID  19806185.
• Эндогенная экспрессия онкогенной мутации PI3K приводит к активированной сигнализации PI3K и инвазивному фенотипу. Плакат, представленный на конференции AACR/EORTC «Молекулярные мишени и терапия рака», Бостон, США, ноябрь 2009 г.
• Bardelli A, Siena S (март 2010 г.). «Молекулярные механизмы устойчивости к цетуксимабу и панитумумабу при колоректальном раке». J. Clin. Oncol . 28 (7): 1254–61. doi :10.1200/JCO.2009.24.6116. PMID  20100961. Архивировано из оригинала 15.04.2013.
• Fattah F, Lee EH, Weisensel N, Wang Y, Lichter N, Hendrickson EA (февраль 2010 г.). Pearson CE (ред.). "Ku регулирует выбор пути негомологичного соединения концов при репарации двухцепочечных разрывов ДНК в соматических клетках человека". PLOS Genet . 6 (2): e1000855. doi : 10.1371/journal.pgen.1000855 . PMC  2829059. PMID  20195511 .
• Buron N, Porceddu M, Brabant M и др. (2010). Aziz SA (ред.). «Использование митохондрий линий клеток рака человека для изучения механизмов пептидов BH3 и индуцированной ABT-737 пермеабилизации митохондриальной мембраны». PLOS ONE . ​​5 (3): e9924. Bibcode :2010PLoSO...5.9924B. doi : 10.1371/journal.pone.0009924 . PMC  2847598 . PMID  20360986.
• Эндогенная экспрессия онкогенной мутации PI3K приводит к накоплению антиапоптотических белков в митохондриях. Постер, представленный на конференции AACR 2010, Вашингтон, округ Колумбия, США, апрель 2010 г.
• Использование изогенных клеточных линий «X-MAN» для определения профилей активности ингибиторов PI3-киназы. Постер, представленный на конференции AACR 2010, Вашингтон, округ Колумбия, США, апрель 2010 г.
• Использование мутанта PI3CA «X-MAN» увеличивает экспрессию отдельных изоформ тубулина и способствует устойчивости к антимитотическим химиотерапевтическим препаратам. Постер представлен на AACR 2010, Вашингтон, округ Колумбия, США, апрель 2010 г.
• Di Nicolantonio F, Arena S, Tabernero J, et al. (август 2010 г.). «Дерегуляция сигнальных путей PI3K и KRAS в раковых клетках человека определяет их реакцию на эверолимус». J. Clin. Invest . 120 (8): 2858–66. doi :10.1172/JCI37539. PMC  2912177. PMID  20664172 .