إعادة بناء الحاجز الدموي الدماغي في المختبر لنمذجة الأمراض العصبية واستهدافها علاجيا
أكتوبر 20, 2023
يلعب الحاجز الدموي الدماغي (BBB) دورا حاسما في الحفاظ على بيئة دماغية مستقرة وصحية. يرتبط خلل BBB بالعديد من الأمراض العصبية. لقد قمنا بتطوير نموذج 3D ، مشتق من الخلايا الجذعية من BBB للتحقيق في أمراض الأوعية الدموية الدماغية ، وسلامة BBB ، وكيف يتم تغيير BBB عن طريق علم الوراثة والمرض.
هدفنا هو تحديد الآليات الجزيئية والخلوية التي تتوسط في التسبب في مرض الزهايمر للكشف عن الفرص العلاجية والتشخيصية. حاليا ، المسارات والآليات الجزيئية المشاركة في ظهور وتطور مرض الزهايمر غير مفهومة بشكل جيد. ويرجع ذلك إلى فشل نماذج الفئران وغيرها من نماذج مرض الزهايمر في المختبر في تلخيص البيولوجيا البشرية الفريدة التي تعتبر حاسمة لتطور المرض.
لقد طورنا نموذجا في المختبر للحاجز الدموي الدماغي الذي يمكن تطبيقه لدراسة الأمراض الدماغية الوعائية المرتبطة بمرض الزهايمر والخرف وأشكال أخرى من التنكس العصبي. تم استخدام هذا النموذج لإظهار أن APOE4 ، أقوى عامل خطر لمرض الزهايمر ، يعمل جزئيا من خلال مسار خاص بالطفيليات لزيادة عبء الأميلويد الممرض باستخدام الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات ، يمكننا بناء أنسجة دماغية بشرية في المختبر يمكن استخدامها للتحقيق في أمراض الأمراض وفحوصات الأدوية. يتيح نموذج الحاجز الدموي الدماغي في المختبر الأساليب العلاجية والتشخيصية الشخصية.
يوضح نموذج الحاجز الدموي الدماغي 3D في المختبر التفاعلات ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية ، بما في ذلك تكوين أنبوب الأوعية الدموية وتوطين نهاية الخلايا النجمية مع الأوعية الدموية. كما أنه قادر على نمذجة الأنماط الظاهرية ذات الصلة بالأمراض ، بما في ذلك علم أمراض الأميلويد. أخيرا ، يسمح استخدام الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات المشتقة من المريض بدراسة أي خلفية وراثية مرغوبة.
باستخدام نموذج الحاجز الدموي الدماغي في المختبر ، اكتشفنا مسارات تتوسط تراكم الأميلويد الدماغي الوعائي المرضي. قادنا هذا إلى استكشاف الاستراتيجيات العلاجية التي يمكن أن تعكس هذا المرض في الفئران APOE4 المسنة ، والتي نتابعها حاليا.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في دور الحاجز الدموي الدماغي (BBB) في مرض الزهايمر من خلال تطوير نموذج ثلاثي الأبعاد (3D) في المختبر مستمد من خلايا جذعية بشرية. يهدف هذا النموذج إلى دراسة الآليات الجزيئية الكامنة وراء اعتلالات الأوعية الدموية الدماغية وكيفية تأثير العوامل الوراثية على سلامة الحاجز الدموي الدماغي، لا سيما فيما يتعلق بالأمراض التنكسية العصبية.
المكونات الرئيسية للدراسة
مجال العلوم
- علوم الأعصاب
- بيولوجيا الخلية
- التنكس العصبي
خلفية علمية
- يعد الحاجز الدموي الدماغي أساسياً للحفاظ على التوازن الداخلي للدماغ.
- يرتبط خلل وظائف الحاجز الدموي الدماغي بالعديد من الأمراض العصبية، بما في ذلك مرض الزهايمر.
- غالباً ما تخفق النماذج الحالية في محاكاة تعقيدات الدماغ البشري.
- تعالج هذه الدراسة هذه الفجوة من خلال إنشاء نموذج مخبري (in vitro) لفهم أفضل لديناميكيات الحاجز الدموي الدماغي في حالات المرض.
الغرض من الدراسة
- لاستكشاف تأثيرات العوامل الوراثية، وتحديداً APOE4، على سلامة الحاجز الدموي الدماغي والاعتلالات الوعائية الدماغية.
- لتسهيل النهج التشخيصية والعلاجية المخصصة باستخدام الخلايا المشتقة من المرضى.
- لتحديد المسارات الخلوية والجزيئية المرتبطة بنشوء مرض الزهايمر.
الطرق المستخدمة
- استخدام نموذج ثلاثي الأبعاد (3D) للحاجز الدموي الدماغي في المختبر (in vitro) مشتق من خلايا جذعية مستحثة متعددة القدرات.
- تضمنت المكونات الرئيسية الخلايا البطانية، والخلايا النجمية، والطفيليات المتمايزة لتجميع النموذج.
- شملت خطوات حاسمة مثل تفكيك الخلايا، والطرد المركزي، والزراعة المشتركة لتطوير النموذج.
- الحفاظ على النموذج في المزرعة لمدة أسبوعين لمراقبة وقياس الأنماط الظاهرية ذات الصلة بالمرض.
النتائج الرئيسية
- إثبات أن النموذج المطور يحاكي بفعالية وظائف الحاجز الدموي الدماغي (BBB) والاعتلالات المرضية المرتبطة به، بما في ذلك تراكم الأميلويد.
- تسليط الضوء على دور APOE4 في زيادة عبء الأميلويد من خلال مسار إمراضي محدد.
- اكتشاف استراتيجيات علاجية محتملة لعكس التغيرات المرضية الملحوظة في نماذج الفئران المسنة التي تحمل APOE4.
الاستنتاجات
- توضح الدراسة جدوى استخدام نموذج مختبري مشتق من المريض لاستكشاف المشكلات الوعائية الدماغية المرتبطة بمرض ألزهايمر.
- تبين كيف يمكن لهذا النموذج تقديم رؤى لاستراتيجيات علاجية مستقبلية تستهدف الحاجز الدموي الدماغي (BBB) في الحالات التنكسية العصبية.
- تمتد الآثار المترتبة على ذلك إلى مناهج الطب الشخصي لفهم وعلاج مرض ألزهايمر.
الأسئلة الأكثر شيوعاً
الأهمية الصناعية التنفيذية
تساهم إعادة بناء الحاجز الدموي الدماغي (BBB) البشري مخبرياً في معالجة عقبة حرجة في عملية اكتشاف أدوية الجهاز العصبي المركزي، وذلك من خلال تمكين الاستقصاء الميكانيكي لوظيفة الحاجز والباثولوجيا ذات الصلة بالمرض. وتعزز هذه المنصة من الثقة التنبؤية فيما يخص إيصال العلاجات والتحقق من الأهداف في مسارات تطوير أدوية الأمراض التنكسية العصبية. كما تدعم مرونة هذا النموذج التقييم الشامل لمجموعة من عوامل الخطر الجينية والبيئية التي تؤثر على وصول أدوية الجهاز العصبي المركزي وفعاليتها.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من صحة الهدف
- يُمكّن من تقليل المخاطر الآلية للفرضيات العلاجية المتعلقة بالحاجز الدموي الدماغي (BBB) في حالات التنكس العصبي.
- يدعم التحقق الوظيفي من الأهداف من خلال نمذجة التفاعلات الوعائية الدماغية الخاصة بالبشر.
- يسهل استقصاء عوامل الخطر الجينية، مثل APOE4، في سياقات ذات صلة بالمرض.
- يوفر منصة لفرز الأهداف بناءً على بيولوجيا الحاجز الدموي الدماغي البشري بدلاً من البدائل الحيوانية.
الفحص وتطوير المقايسة
- يجهز أنظمة حاجز دموي دماغي (BBB) مُصادق عليها وذات صلة فيزيولوجياً لتدفقات عمل فحص المركبات.
- يتيح التقييم الكمي لنفاذية الدواء واعتلالات الأميلويد في بيئة مضبوطة.
- يدعم توحيد المقاييس وقابلية التكرار في دراسات إيصال الأدوية إلى الجهاز العصبي المركزي (CNS).
- يسمح بالتكيف القابل للتطوير من أجل تحسين الكيمياء الدوائية للمركبات التي تخترق الجهاز العصبي المركزي (CNS).
الأبحاث الترجمية وما قبل السريرية
- يربط النتائج المختبرية بالأنماط الظاهرية ذات الصلة بالمرض والملاحظة في مرض الزهايمر والاضطرابات المرتبطة به.
- يتيح الاستمرارية من مرحلة الاكتشاف وصولاً إلى التحقق قبل السريري من خلال نمذجة الخلفيات الجينية الخاصة بكل مريض.
- يدعم قرارات التقدم المعدلة حسب المخاطر من خلال توفير بيانات ذات صلة بالبشر حول سلامة الحاجز الدموي الدماغي (BBB) والباثولوجيا.
- يسهل استكشاف المؤشرات الحيوية الانتقالية لتطور أمراض الأوعية الدموية الدماغية.
تكامل مسار العمل وسير العمل
يربط نموذج iBBB هذا بين مراحل الاكتشاف المبكر، وتحديد المركبات الرائدة، والأبحاث قبل السريرية، من خلال توفير نظام يحاكي الحالة البشرية لاختبار الفرضيات وتقييم المركبات.
- بيولوجيا الاكتشاف: تدعم اختبار الفرضية الصفرية لوظيفة الحاجز الدموي الدماغي (BBB) وآليات المرض في سياق بشري.
- الفحص: تقدم نتائج كمية وقابلة للتكرار لنفاذية المركبات وتراكم الأميلويد.
- التحليلات: تتيح قياس القراءات الجزيئية والخلوية لمقارنة الظروف الجينية والبيئية.
- الأبحاث الانتقالية: تربط النتائج المختبرية (in vitro) بالنماذج قبل السريرية والبيانات المستمدة من المرضى لمواءمة المؤشرات الحيوية.
- إعادة الاستخدام في المؤسسات: توفر منصة نمطية قابلة لإعادة الاستخدام وقابلة للتكيف مع مختلف برامج أمراض الجهاز العصبي المركزي (CNS).
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية في الاستراتيجيات العلاجية التي تستهدف الحاجز الدموي الدماغي (BBB) وتقلل من الغموض الميكانيكي.
- القيمة التشغيلية: توحد معايير نمذجة الحاجز الدموي الدماغي (BBB) لضمان القابلية للتكرار والتوسع عبر فرق البحث والتطوير.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن قرارات المتابعة أو الإيقاف (go/no-go) للأصول الخاصة بالجهاز العصبي المركزي (CNS) من خلال توفير بيانات عن الحاجز ذات صلة بالبشر.
- تأثير المحفظة: تمكّن من ترتيب أولويات برامج الجهاز العصبي المركزي (CNS) وفقاً للمخاطر بناءً على تفاعلات تم التحقق منها للحاجز الدموي الدماغي (BBB).
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في تمايز الخلايا الجذعية وتجميع الأنسجة ثلاثية الأبعاد.
- يستلزم الوصول إلى بنية تحتية متقدمة لزراعة الخلايا والتصوير.
- يقتضي توحيد المعايير بين الفرق لضمان تكرار المقايسات وقابلية مقارنة البيانات.
- قابل للتكيف مع مختلف الخلفيات الجينية باستخدام خلايا iPSCs المشتقة من المرضى.
- محدود بعدم قدرة النظام المختبري (in vitro) على محاكاة تعقيد الدماغ داخل الكائن الحي (in vivo) بشكل كامل.
