Bol vytvorený prvý ľudský mini mozog s funkčnou hematoencefalickou bariérou

Nový výskum tímu vedeného odborníkmi z Detskej nemocnice v Cincinnati viedol k vytvoreniu prvého ľudského mini-mozgu na svete s plne funkčnou hematoencefalickou bariérou (HEB).

Tento významný prielom, publikovaný v časopise Cell Stem Cell, sľubuje urýchlenie pochopenia a zlepšenie liečby širokej škály mozgových ochorení vrátane mozgovej príhody, cerebrovaskulárnych ochorení, rakoviny mozgu, Alzheimerovej choroby, Huntingtonovej choroby, Parkinsonovej choroby a ďalších neurodegeneratívnych stavov.

„Nedostatok autentického modelu ľudskej hematopoézy (HBB) bol hlavnou prekážkou pri štúdiu neurologických ochorení,“ povedal hlavný autor štúdie Dr. Ziyuan Guo.

„Náš prelomový objav zahŕňa generovanie organoidov ľudskej BBB z ľudských pluripotentných kmeňových buniek, ktoré napodobňujú ľudský neurovaskulárny vývoj s cieľom vytvoriť presnú reprezentáciu bariéry v rastúcom a fungujúcom mozgovom tkanive. Je to dôležitý pokrok, pretože zvieracie modely, ktoré v súčasnosti používame, presne neodrážajú vývoj ľudského mozgu a funkčnosť BBB.“

Čo je hematoencefalická bariéra?

Na rozdiel od zvyšku nášho tela majú krvné cievy v mozgu ďalšiu vrstvu husto usporiadaných buniek, ktoré výrazne obmedzujú veľkosť molekúl, ktoré môžu prejsť z krvného obehu do centrálneho nervového systému (CNS).

Správne fungujúca mozgová bariéra udržiava mozog zdravý tým, že bráni vstupu škodlivých látok a zároveň umožňuje životne dôležitým živinám dostať sa do mozgu. Tá istá bariéra však bráni aj vstupu mnohých potenciálne prospešných liekov do mozgu. Okrem toho, keď sa hematoencefalická bariéra (HBB) netvorí správne alebo sa začne rozpadať, vzniká alebo zhoršuje niekoľko neurologických porúch.

Významné rozdiely medzi ľudským a zvieracím mozgom znamenajú, že mnohé sľubné nové lieky vyvinuté na zvieracích modeloch neskôr pri testovaní na ľuďoch nespĺňajú očakávania.

„Teraz sme prostredníctvom bioinžinierstva kmeňových buniek vyvinuli inovatívnu platformu založenú na ľudských kmeňových bunkách, ktorá nám umožňuje študovať komplexné mechanizmy riadiace funkciu a dysfunkciu hematopoetickej bariéry (HEB). To poskytuje bezprecedentné príležitosti pre objavovanie liekov a terapeutické intervencie,“ hovorí Guo.

Prekonanie dlhodobého problému

Výskumné tímy na celom svete sa predbiehajú vo vývoji mozgových organoidov – drobných, rastúcich 3D štruktúr, ktoré napodobňujú rané štádiá formovania mozgu. Na rozdiel od buniek pestovaných v plochej laboratórnej miske sú organoidné bunky navzájom prepojené. Samoorganizujú sa do guľovitých tvarov a „rozprávajú sa“ spolu, rovnako ako ľudské bunky počas embryonálneho vývoja.

Detská nemocnica v Cincinnati je lídrom vo vývoji iných typov organoidov vrátane prvých funkčných črevných, žalúdočných a pažerákových organoidov na svete. Doteraz sa však žiadnemu výskumnému centru nepodarilo vytvoriť mozgový organoid, ktorý by obsahoval špeciálnu bariérovú vrstvu nachádzajúcu sa v cievach ľudského mozgu.

Tieto nové modely nazývame „BBB assembloidy“.

Výskumný tím nazval svoj nový model „BBB asembloidy“. Ich názov odráža úspech, ktorý umožnil tento prielom. Tieto asembloidy kombinujú dva rôzne typy organoidov: mozgové organoidy, ktoré replikujú ľudské mozgové tkanivo, a organoidy krvných ciev, ktoré napodobňujú cievne štruktúry.

Proces spájania sa začal s mozgovými organoidmi s priemerom 3 až 4 milimetre a organoidmi krvných ciev s priemerom približne 1 milimeter. V priebehu približne mesiaca sa tieto samostatné štruktúry zlúčili do jednej gule s priemerom niečo vyše 4 milimetrov (približne 1/8 palca alebo približne veľkosti sezamového semienka).

Popis obrázka: Proces spojenia dvoch typov organoidov za účelom vytvorenia organoidu ľudského mozgu, ktorý zahŕňa hematoencefalickú bariéru. Zdroj: Cincinnati Children's and Cell Stem Cell.

Tieto integrované organoidy znovu vytvárajú mnohé zložité neurovaskulárne interakcie pozorované v ľudskom mozgu, ale nie sú to kompletné modely mozgu. Napríklad tkanivo neobsahuje imunitné bunky a nemá žiadne spojenie so zvyškom nervového systému tela.

Výskumné tímy Detskej univerzity v Cincinnati dosiahli ďalší pokrok v oblasti fúzie a vrstvenia organoidov z rôznych typov buniek s cieľom vytvoriť komplexnejšie „organoidy novej generácie“. Tieto pokroky pomohli informovať o novej práci zameranej na vytváranie mozgových organoidov.

Dôležité je, že zostavy BBB sa dajú pestovať s použitím neurotypických ľudských kmeňových buniek alebo kmeňových buniek od ľudí s určitými ochoreniami mozgu, čo odráža génové varianty a iné stavy, ktoré môžu viesť k zhoršenej funkcii hematoencefalickej bariéry.

Počiatočný dôkaz konceptu

Na demonštráciu potenciálnej užitočnosti nových asembloidov výskumný tím použil líniu kmeňových buniek odvodených od pacientov na vytvorenie asembloidov, ktoré presne reprodukovali kľúčové znaky zriedkavého ochorenia mozgu nazývaného kavernózna malformácia mozgu.

Táto genetická porucha, charakterizovaná narušením integrity hematoencefalickej bariéry, vedie k vzniku zhlukov abnormálnych krvných ciev v mozgu, ktoré často vzhľadom pripomínajú maliny. Porucha výrazne zvyšuje riziko mozgovej príhody.

„Náš model presne zhrnul fenotyp ochorenia a poskytol nové poznatky o molekulárnej a bunkovej patológii cerebrovaskulárnych ochorení,“ hovorí Guo.

Potenciálne aplikácie

Spoluautori vidia rôzne potenciálne aplikácie pre zostavy BBB:

• Personalizovaný skríning liekov: Zostavy BBB odvodené od pacienta môžu slúžiť ako avatary na prispôsobenie liečby pacientom na základe ich jedinečných genetických a molekulárnych profilov.
• Modelovanie ochorení: Pre množstvo neurovaskulárnych porúch vrátane zriedkavých a geneticky zložitých stavov chýbajú dobré modelové systémy pre výskum. Úspech pri vytváraní zostáv BBB by mohol urýchliť vývoj modelov ľudského mozgového tkaniva pre širšiu škálu stavov.
• Vysokokapacitný objav liekov: Zvýšenie produkcie asembloidov by mohlo umožniť presnejšiu a rýchlejšiu analýzu toho, či potenciálne lieky pre mozog dokážu účinne prechádzať hematoencefalickou bariérou (HBB).
• Testovanie environmentálnych toxínov: Zostavy BBB, často založené na systémoch zvieracích modelov, môžu pomôcť posúdiť toxické účinky látok znečisťujúcich životné prostredie, liečiv a iných chemických zlúčenín.
• Vývoj imunoterapie: Skúmaním úlohy hematopoéznej bariéry (HBB) pri neurozápalových a neurodegeneratívnych ochoreniach môžu nové zostavy podporiť dodávanie imunitných terapií do mozgu.
• Bioinžinierstvo a výskum biomateriálov: Biomedicínski inžinieri a materiáloví vedci môžu využiť dostupnosť laboratórneho modelu BBB na testovanie nových biomateriálov, nosičov liekov a stratégií tkanivového inžinierstva.

„Celkovo predstavujú zostavy BBB revolučnú technológiu so širokými dôsledkami pre neurovedu, objavovanie liekov a personalizovanú medicínu,“ hovorí Guo.