Stel je de hersenen voor als een luchtverkeersleidingstoren, die toezicht houdt op de cruciale en complexe operaties van de ‘luchthaven’ van het lichaam. Deze toren, essentieel voor het coördineren van de onophoudelijke stroom van neurologische signalen, wordt bewaakt door een formidabele laag die functioneert als het beveiligingsteam van de luchthaven, dat alles en iedereen nauwlettend in de gaten houdt en ervoor zorgt dat ongewenste indringers de vitale werking binnenin niet verstoren.

Deze beveiliging is weliswaar essentieel, maar heeft ook een belangrijk nadeel:soms is er in de controletoren een ‘monteur’ nodig – in de vorm van cruciale medicatie die nodig is voor de behandeling van neurologische aandoeningen – om eventuele problemen op te lossen. Maar als de beveiliging te streng is en zelfs deze essentiële agenten de toegang wordt ontzegd, kunnen juist de operaties die ze moeten beschermen in gevaar komen.

Nu doorbreken onderzoekers onder leiding van Michael Mitchell van de Universiteit van Pennsylvania deze al lang bestaande grens in de biologie, bekend als de bloed-hersenbarrière, door een methode te ontwikkelen die lijkt op het voorzien van deze monteur van een speciale sleutelkaart om de beveiliging te omzeilen. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters presenteren een model dat lipide nanodeeltjes (LNP's) gebruikt om mRNA af te leveren, wat nieuwe hoop biedt voor de behandeling van aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en epileptische aanvallen – vergelijkbaar met het oplossen van de storingen in de controletoren zonder de veiligheid in gevaar te brengen.

"Ons model presteerde beter bij het passeren van de bloed-hersenbarrière dan andere en hielp ons orgaanspecifieke deeltjes te identificeren die we later in toekomstige modellen valideerden", zegt Mitchell, universitair hoofddocent bio-engineering aan Penn's School of Engineering and Applied Science, en senior auteur. op de studie. "Het is een opwindend proof-of-concept dat ongetwijfeld zal leiden tot nieuwe benaderingen voor de behandeling van aandoeningen zoals traumatisch hersenletsel, beroerte en de ziekte van Alzheimer."

Zoek naar de sleutel

Om het model te ontwikkelen heeft Emily Han, een Ph.D. kandidaat en NSF Graduate Research Fellow in het Mitchell Lab en eerste auteur van het artikel, legt uit dat het begon met een zoektocht naar het juiste in vitro screeningplatform en zei:"Ik was de literatuur aan het doorzoeken, de meeste platforms die ik vond waren beperkt naar een gewone plaat met 96 putjes, een tweedimensionale array die niet zowel het bovenste als het onderste deel van de bloed-hersenbarrière kan weergeven, die respectievelijk overeenkomen met het bloed en de hersenen."

Han onderzocht vervolgens transwell-systemen met hoge doorvoer met beide compartimenten, maar ontdekte dat ze geen rekening hielden met mRNA-transfectie van de cellen, wat een leemte in het ontwikkelingsproces aan het licht bracht. Dit bracht haar ertoe een platform te creëren dat in staat is het mRNA-transport van het bloedcompartiment naar de hersenen te meten, evenals de transfectie van verschillende typen hersencellen, waaronder endotheelcellen en neuronen.

"Ik heb maanden besteed aan het uitzoeken van de optimale omstandigheden voor dit nieuwe in vitro-systeem, inclusief welke celgroeiomstandigheden en fluorescerende reporters ik moest gebruiken", legt Han uit. "Toen we eenmaal robuust waren, hebben we onze bibliotheek met LNP's gescreend en getest op diermodellen. Het was spannend om te zien hoe de hersenen eiwitten tot expressie brachten als resultaat van het mRNA dat we afleverden en het bevestigde dat we op de goede weg waren."

Het platform van het team is klaar om de behandeling van neurologische aandoeningen aanzienlijk te verbeteren. Het is momenteel op maat gemaakt voor het testen van een reeks LNP's met op de hersenen gerichte peptiden, antilichamen en verschillende lipidensamenstellingen. Het zou echter ook andere therapeutische middelen, zoals siRNA, DNA, eiwitten of kleine molecuulmedicijnen, na intraveneuze toediening rechtstreeks naar de hersenen kunnen brengen.

Bovendien beperkt deze aanpak zich niet tot de bloed-hersenbarrière, omdat deze veelbelovend is voor het onderzoeken van behandelingen voor zwangerschapsgerelateerde ziekten door zich te richten op de bloed-placentale barrière, en voor retinale ziekten die zich richten op de bloed-retinale barrière.

Het team wil dit platform graag gebruiken om nieuwe ontwerpen te screenen en hun effectiviteit in verschillende diermodellen te testen. Ze zijn vooral geïnteresseerd in het samenwerken met onderzoekers die geavanceerde diermodellen van neurologische aandoeningen ontwikkelen.

"We werken samen met onderzoekers van Penn om modellen voor hersenziekten vast te stellen", zegt Han. "We onderzoeken hoe deze LNP's gevolgen hebben voor muizen met verschillende hersenaandoeningen, variërend van glioblastoom tot traumatisch hersenletsel. We hopen vooruitgang te boeken in de richting van het herstel van de bloed-hersenbarrière of het richten op neuronen die na het letsel zijn beschadigd."

Andere auteurs zijn Marshall Padilla, Rohan Palanki, Dongyoon Kim, Kaitlin Mrksich, Jacqueline Li, Sophia Tang en Il-Chul Yoon van Penn Engineering.

Meer informatie: Emily L. Han et al, Predictive High-Throughput Platform voor dubbele screening van mRNA-lipidenanodeeltjes Bloed-hersenbarrière-transfectie en -kruising, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03509

Journaalinformatie: Nanobrieven

Aangeboden door Universiteit van Pennsylvania