Zoals veiligheidsbarrières op luchthavens die geautoriseerde reizigers vrijmaken of onbevoegde reizigers en hun bagage de toegang tot centrale operatiegebieden blokkeren, de bloed-hersenbarrière (BBB) ​​regelt nauwgezet het transport van essentiële voedingsstoffen en energiemetabolieten naar de hersenen en voorkomt ongewenste stoffen die in de bloedbaan circuleren. belangrijk, de sterk georganiseerde structuur van dunne bloedvaten en ondersteunende cellen is ook het belangrijkste obstakel dat voorkomt dat levensreddende medicijnen de hersenen bereiken om kanker effectief te behandelen, neurodegeneratie, en andere ziekten van het centrale zenuwstelsel. Bij een aantal hersenziekten de BBB kan ook plaatselijk afbreken, neurotoxische stoffen veroorzaken, bloedcellen en ziekteverwekkers in de hersenen lekken en onherstelbare schade aanrichten.

Om de BBB en het drugstransport erover te bestuderen, onderzoekers hebben meestal vertrouwd op diermodellen zoals muizen. Echter, de precieze samenstelling en transportfuncties van BBB's in die modellen kunnen aanzienlijk verschillen van die bij menselijke patiënten, waardoor ze onbetrouwbaar zijn voor de voorspelling van medicijnafgifte en therapeutische werkzaamheid. Ook in vitro-modellen die tot nu toe probeerden de menselijke BBB te recreëren met behulp van primaire hersenweefsel-afgeleide cellen, zijn tot nu toe niet in staat geweest om de fysieke barrière van de BBB na te bootsen, transportfuncties, en pendelactiviteiten van geneesmiddelen en antilichamen die nauw genoeg zijn om bruikbaar te zijn als hulpmiddelen voor therapeutische ontwikkeling.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Donald Ingber, MD, doctoraat aan het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard heeft deze beperkingen overwonnen door gebruik te maken van de microfluïdische Organs-on-Chips (Organ Chips) -technologie in combinatie met een op ontwikkeling geïnspireerde hypoxie-nabootsende benadering om menselijke pluripotente stamcellen (iPS) te differentiëren tot microvasculaire endotheelcellen in de hersenen cellen (BMVEC's). De resulterende 'hypoxie-enhanced BBB Chip' recapituleert cellulaire organisatie, strakke barrièrefuncties en transportmogelijkheden van de menselijke BBB; en het maakt het transport van medicijnen en therapeutische antilichamen mogelijk op een manier die het transport over de BBB in vivo beter nabootst dan bestaande in vitro-systemen. Hun studie wordt gerapporteerd in Natuurcommunicatie .

"Onze benadering van het in vitro modelleren van het pendelen van geneesmiddelen en antilichamen over de menselijke BBB met zo'n hoge en ongekende betrouwbaarheid, biedt een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van bestaande mogelijkheden op dit enorm uitdagende onderzoeksgebied, "Zei Wyss Institute Founding Director Ingber. "Het voorziet in een kritieke behoefte in programma's voor de ontwikkeling van geneesmiddelen in de farmaceutische en biotechwereld die we nu willen helpen overwinnen met een speciaal 'Blood-Brain Barrier Transport Program' bij het Wyss Institute met behulp van ons unieke talent en middelen." Ingber is ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan SEAS.

De BBB bestaat uit dunne capillaire bloedvaten gevormd door BMVEC's, multifunctionele cellen bekend als pericyten die zich om de buitenkant van de bloedvaten wikkelen, en stervormige astrocyten, dit zijn niet-neuronale hersencellen die ook in contact komen met bloedvaten met voetachtige processen. In aanwezigheid van pericyten en astrocyten, endotheelcellen kunnen de goed afgesloten vaatwandbarrière genereren die typisch is voor de menselijke BBB.

Ingber's team differentieerde eerst menselijke iPS-cellen tot hersenendotheelcellen in de kweekschaal met behulp van een methode die eerder was ontwikkeld door co-auteur Eric Shusta, doctoraat, Hoogleraar chemische en biologische technologie aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, maar met de toegevoegde kracht van bio-inspiratie. "Omdat in het embryo, de BBB vormt zich onder zuurstofarme omstandigheden (hypoxie), we differentieerden iPS-cellen voor een langere tijd in een atmosfeer met slechts 5% in plaats van de normale 20% zuurstofconcentratie, " zei co-eerste auteur Tae-Eun Park, doctoraat "Als resultaat, de iPS-cellen startten een ontwikkelingsprogramma dat sterk lijkt op dat van het embryo, BMVEC's produceren die een hogere functionaliteit vertoonden dan BMVEC's die werden gegenereerd in normale zuurstofomstandigheden." Park was een postdoctoraal onderzoeker in het team van Ingber en is nu assistent-professor aan het Ulsan National Institute of Science and Technology in de Republiek Korea.

Voortbouwend op een eerder menselijk BBB-model, de onderzoekers brachten vervolgens de door hypoxie geïnduceerde menselijke BMVEC's over in een van de twee parallelle kanalen van een microfluïdisch Organ-on-Chip-apparaat dat wordt gedeeld door een poreus membraan en continu wordt geperfuseerd met medium. Het andere kanaal was bevolkt met een mengsel van primaire pericyten en astrocyten van de menselijke hersenen. Na een extra dag hypoxiebehandeling, de menselijke BBB-chip zou stabiel kunnen worden gehouden gedurende ten minste 14 dagen bij normale zuurstofconcentraties, wat veel langer is dan eerdere in vitro menselijke BBB-modellen die in het verleden zijn geprobeerd.

Onder de schuifspanning van de vloeistoffen die de BBB-chip doorlaten, de BMVEC's gaan verder met het vormen van een bloedvat, en een dicht grensvlak ontwikkelen met pericyten die daarmee op één lijn liggen aan de andere kant van het poreuze membraan, evenals met astrocyten die processen naar hen toe uitstrekken door kleine openingen in het membraan. "De verschillende morfologie van de gemanipuleerde BBB gaat gepaard met de vorming van een strakkere barrière met verhoogde aantallen selectieve transport- en medicijn-shuttlesystemen in vergelijking met controle-BB's die we hebben gegenereerd zonder hypoxie of vloeistofschuifspanning, of met endotheel afkomstig van volwassen hersenen in plaats van iPS-cellen, " zei Nur Mustafaoglu, doctoraat, een co-eerste auteur van de studie en een postdoctoraal fellow die in het team van Ingber werkt. "Bovendien, we zouden de effecten van behandelstrategieën bij patiënten in de kliniek kunnen nabootsen. Bijvoorbeeld, we hebben de BBB voor een korte tijd omkeerbaar geopend door de concentratie van een opgeloste mannitol [osmolariteit] te verhogen om de doorgang van grote medicijnen zoals het antikankerantilichaam Cetuximab mogelijk te maken."

Om aanvullend bewijs te leveren dat de hypoxie-versterkte menselijke BBB-chip kan worden gebruikt als een effectief hulpmiddel voor het bestuderen van medicijnafgifte aan de hersenen, het team onderzocht een reeks transportmechanismen die ofwel voorkomen dat medicijnen hun doelwitten in de hersenen bereiken door ze terug in de bloedbaan te pompen (efflux), of dat, in tegenstelling tot, het selectieve transport van voedingsstoffen en medicijnen over de BBB (transcytose) mogelijk maken.

"Toen we specifiek de functie van P-gp blokkeerden, een belangrijke endotheliale effluxpomp, we zouden het transport van het antikankergeneesmiddel doxorubicine van het vasculaire kanaal naar het hersenkanaal aanzienlijk kunnen verhogen, vergelijkbaar met wat is waargenomen bij menselijke patiënten, "zei Park. "Dus, ons in vitro-systeem zou kunnen worden gebruikt om nieuwe benaderingen te identificeren om efflux te verminderen en zo het transport van geneesmiddelen naar de hersenen in de toekomst te vergemakkelijken."

Op een andere locatie, medicijnontwikkelaars proberen 'receptor-gemedieerde transcytose' te gebruiken als een vehikel voor het pendelen van met medicijnen beladen nanodeeltjes, grotere chemische en eiwitgeneesmiddelen, evenals therapeutische antilichamen over de BBB. "De hypoxie-versterkte menselijke BBB-chip recapituleert de functie van kritieke transcytose-routes, zoals die worden gebruikt door de LRP-1 en transferrine-receptoren die verantwoordelijk zijn voor het opnemen van vitale lipoproteïnen en ijzer uit het circulerende bloed en het vrijgeven ervan in de hersenen aan de andere kant van de BBB. Door die receptoren te benutten met behulp van verschillende preklinische strategieën, we kunnen het eerder aangetoonde pendelen van therapeutische antilichamen die zich in vivo richten op transferrinereceptoren getrouw nabootsen, terwijl de integriteit van de BBB in vitro behouden blijft, ' zei Mustafaoglu.

Op basis van deze bevindingen, het Wyss Institute is een 'Blood-Brain Barrier Transport Program' gestart. "In eerste instantie het BBB-transportprogramma heeft tot doel nieuwe shuttle-doelen te ontdekken die zijn verrijkt op het BMVEC-vasculaire oppervlak, met behulp van nieuwe transcriptomics, proteomica, en iPS-celbenaderingen. parallel, we ontwikkelen volledig menselijke antilichaam-shuttles gericht tegen bekende shuttle-doelen met verbeterde hersentargeting-mogelijkheden, " zei James Gorman, MD, doctoraat, de Staff Lead voor het BBB Transport Program in samenwerking met Ingber. "We streven ernaar om samen te werken met meerdere biofarmaceutische partners in een pre-competitieve relatie om shuttles te ontwikkelen die uitzonderlijke werkzaamheid en technische flexibiliteit bieden voor opname in antilichaam- en eiwitgeneesmiddelen, omdat dit zo hard nodig is door patiënten en het hele veld".

De auteurs denken dat naast onderzoek naar de ontwikkeling van geneesmiddelen, de hypoxie-versterkte menselijke BBB-chip kan ook worden gebruikt om aspecten van hersenziekten te modelleren die de BBB beïnvloeden, zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson, en tot geavanceerde gepersonaliseerde geneeskundebenaderingen door gebruik te maken van van de patiënt afgeleide iPS-cellen.