Bol vytvorený prvý ľudský minimozog s funkčnou hematoencefalickou bariérou

Nový výskum tímu vedeného odborníkmi z Cincinnati Children's vytvoril prvý mini-ľudský mozog na svete s plne funkčnou hematoencefalickou bariérou (BBB).

Tento významný prelom, publikovaný v časopise Cell Stem Cell, sľubuje urýchlenie pochopenia a zlepšenie liečby širokého spektra ochorení mozgu, vrátane mŕtvice, cerebrovaskulárnych ochorení, rakovina mozgu, Alzheimerova choroba, Huntingtonova choroba, Parkinsonova choroba a iné neurodegeneratívne stavy.

„Neexistencia autentického modelu ľudského BBB bola hlavnou prekážkou pri štúdiu neurologických chorôb,“ povedal vedúci autor štúdie Dr. Ziyuan Guo.

"Náš prielom zahŕňa generovanie ľudských BBB organoidov z ľudských pluripotentných kmeňových buniek, ktoré napodobňujú ľudský neurovaskulárny vývoj, aby sa vytvorila presná reprezentácia bariéry v rastúcom a fungujúcom mozgovom tkanive. Ide o 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 tesne uložených buniek, ktoré výrazne obmedzujú veľkosť molekúl, ktoré môžu prechádzať z krvného obehu do centrálneho nervového systému (CNS).

Správne fungujúca bariéra podporuje zdravie mozgu tým, že bráni vstupu škodlivých látok a zároveň umožňuje životne dôležitým živinám dostať sa do mozgu. Táto istá bariéra však tiež bráni mnohým potenciálne prospešným liekom dostať sa do mozgu. Navyše, niekoľko neurologických porúch je spôsobených alebo zhoršených, keď sa BBB nevytvorí správne alebo sa začne rozpadať.

Významné rozdiely medzi ľudským a zvieracím mozgom znamenali, že mnohé nové sľubné lieky vyvinuté na zvieracích modeloch neskôr nefungovali tak, ako sa očakávalo v testoch na ľuďoch.

"Teraz sme prostredníctvom bioinžinierstva kmeňových buniek vyvinuli inovatívnu platformu založenú na ľudských kmeňových bunkách, ktorá nám umožňuje študovať komplexné mechanizmy, ktoré riadia funkciu a dysfunkciu BBB. To poskytuje bezprecedentné príležitosti na objavovanie nových liekov a terapeutických zásahov, “ hovorí Guo.

Prekonanie dlhotrvajúceho problému

Výskumné tímy po celom svete sa pretekajú vo vývoji mozgových organoidov – malých, rastúcich 3D štruktúr, ktoré napodobňujú skoré štádiá formovania mozgu. Na rozdiel od buniek pestovaných na plochej laboratórnej miske sú bunky organoidov navzájom prepojené. Samoorganizujú sa do sférických tvarov a „komunikujú“ medzi sebou, rovnako ako ľudské bunky počas embryonálneho vývoja.

Cincinnati Children's je lídrom vo vývoji iných typov organoidov, vrátane prvých funkčných črevných, žalúdočných a pažerákových organoidov na svete. Doteraz však žiadne výskumné centrum nedokázalo vytvoriť mozgový organoid obsahujúci špeciálnu bariérovú vrstvu nachádzajúcu sa v krvných cievach ľudského mozgu.

Nazývame ich nové modely "BBB assembloids"

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

Kombinačný proces sa začal s mozgovými organoidmi s priemerom 3-4 milimetre a organoidmi krvných ciev s priemerom približne 1 milimeter. V priebehu asi mesiaca sa tieto oddelené štruktúry spojili do jedinej gule s priemerom o niečo viac ako 4 milimetre (asi 1/8 palca alebo približne veľkosti sezamového semienka).

Popis obrázka: Proces spájania dvoch typov organoidov na vytvorenie organoidu ľudského mozgu, ktorý zahŕňa hematoencefalickú bariéru. Poďakovanie: Cincinnati Children's and Cell Stem Cell.

Tieto integrované organoidy rekapitulujú mnohé z komplexných neurovaskulárnych interakcií pozorovaných v ľudskom mozgu, ale nie sú úplnými modelmi mozgu. Tkanivo napríklad neobsahuje imunitné bunky a nemá žiadne spojenie so zvyškom nervového systému tela.

Výskumné tímy Cincinnati Children urobili ďalšie pokroky v spájaní a vrstvení organoidov z rôznych typov buniek, aby vytvorili komplexnejšie „organoidy novej generácie“. Tieto pokroky prispeli k informovaniu novej práce o vytváraní mozgových organoidov.

Je dôležité poznamenať, že asembloidy BBB možno pestovať pomocou neurotypických ľudských kmeňových buniek alebo kmeňových buniek od ľudí s určitými chorobami mozgu, čo odráža génové varianty a iné stavy, ktoré môžu viesť k dysfunkcii hematoencefalickej bariéry.

p>

Počiatočný dôkaz koncepcie

Na demonštráciu potenciálnej užitočnosti nových asembloidov výskumný tím použil líniu kmeňových buniek odvodenú od pacienta na vytvorenie asembloidov, ktoré presne rekapitulovali kľúčové znaky zriedkavého stavu mozgu nazývaného cerebrálna kavernózna malformácia.

Táto genetická porucha, charakterizovaná narušením integrity hematoencefalickej bariéry, má za následok tvorbu zhlukov abnormálnych krvných ciev v mozgu, ktoré svojím vzhľadom často pripomínajú maliny. Porucha výrazne zvyšuje riziko mŕtvice.

„Náš model presne reprodukoval fenotyp ochorenia a poskytol nový pohľad na molekulárnu a bunkovú patológiu cerebrovaskulárnych ochorení,“ hovorí Guo.

Potenciálne aplikácie

Spoluautori vidia veľa potenciálnych aplikácií pre assembleloidy BBB:

• Prispôsobený skríning liekov: Assembloidy BBB získané od pacienta môžu slúžiť ako avatary na prispôsobenie terapií pacientom na základe ich jedinečných genetických a molekulárnych profilov.
• Modelovanie chorôb: Mnohým neurovaskulárnym poruchám 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 viac podmienok.
• Vysokovýkonné objavovanie liekov: Zvýšenie výroby assembleloidu môže umožniť presnejšiu a rýchlejšiu analýzu toho, či potenciálne mozgové lieky môžu účinne prechádzať cez BBB.
• Testovanie toxínov v životnom prostredí: BBB assembleloidy často založené na zvieracích modelových systémoch môžu pomôcť vyhodnotiť toxické účinky látok znečisťujúcich životné prostredie, liečiv a iných chemických zlúčenín.
• Vývoj imunoterapie: Skúmaním úlohy BBB pri neurozápalových a neurodegeneratívnych ochoreniach môžu nové assembleloidy podporiť dodávanie imunitných terapií do mozgu.
• Bioinžinierstvo a výskum biomateriálov: Biomedicínski inžinieri a vedci z oblasti materiálov môžu využiť laboratórny model BBB na testovanie nových biomateriálov, nosičov liekov a stratégií tkanivového inžinierstva.

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