Rekonstruktion der Blut-Hirn-Schranke in vitro zur Modellierung und therapeutischen Behandlung neurologischer Erkrankungen
20. Oktober 2023
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung einer stabilen und gesunden Gehirnumgebung. Die BHS-Dysfunktion ist mit vielen neurologischen Erkrankungen verbunden. Wir haben ein 3D-Stammzellmodell der BHS entwickelt, um die zerebrovaskuläre Pathologie, die Integrität der BHS und die Veränderung der BHS durch Genetik und Krankheit zu untersuchen.
Unser Ziel ist es, die molekularen und zellulären Mechanismen zu bestimmen, die die Pathogenese der Alzheimer-Krankheit vermitteln, um therapeutische und diagnostische Möglichkeiten aufzudecken. Derzeit sind die molekularen Signalwege und Mechanismen, die an der Entstehung und Entwicklung der Alzheimer-Krankheit beteiligt sind, nur unzureichend verstanden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Mausmodelle und andere In-vitro-Modelle der Alzheimer-Krankheit nicht in der Lage sind, die einzigartige menschliche Biologie zu rekapitulieren, die für die Entwicklung der Krankheit entscheidend ist.
Wir haben ein In-vitro-Modell der Blut-Hirn-Schranke entwickelt, das zur Untersuchung zerebrovaskulärer Pathologien im Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit, Demenz und anderen Formen der Neurodegeneration eingesetzt werden kann. Dieses Modell wurde verwendet, um zu zeigen, dass APOE4, der stärkste Risikofaktor für die Alzheimer-Krankheit, zum Teil über einen parasitenspezifischen Signalweg wirkt, um die pathogene Amyloidlast zu erhöhen. Mit induzierten pluripotenten Stammzellen können wir menschliches Hirngewebe in vitro konstruieren, das zur Untersuchung der Krankheitspathologie und zum Screening von Medikamenten verwendet werden kann. Ein solches In-vitro-Modell der Blut-Hirn-Schranke ermöglicht personalisierte therapeutische und diagnostische Ansätze.
Unser 3D-In-vitro-Modell der Blut-Hirn-Schranke demonstriert physiologisch relevante Interaktionen, einschließlich der Bildung von Gefäßtuben und der Lokalisation von Astrozyten-Endfüßen mit dem Gefäßsystem. Es ist auch in der Lage, krankheitsrelevante Phänotypen, einschließlich der Amyloid-Pathologie, zu modellieren. Schließlich ermöglicht die Verwendung von patienteneigenen induzierten pluripotenten Stammzellen die Untersuchung jedes gewünschten genetischen Hintergrunds.
Mit Hilfe des In-vitro-Modells der Blut-Hirn-Schranke entdeckten wir Signalwege, die pathologische zerebrovaskuläre Amyloid-Akkumulation vermitteln. Dies führte dazu, dass wir therapeutische Strategien erforschten, die diese Pathologie bei gealterten APOE4-Mäusen umkehren können, die wir derzeit weiterverfolgen.
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Übersicht
Diese Studie untersucht die Rolle der Blut-Hirn-Schranke (BBB) bei der Alzheimer-Krankheit, indem ein dreidimensionales in-vitro-Modell auf Basis menschlicher Stammzellen entwickelt wird. Das Modell dient der Erforschung der molekularen Mechanismen, die der zerebrovaskulären Pathologie zugrunde liegen, sowie der Frage, wie genetische Faktoren die Integrität der BBB beeinflussen, insbesondere im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Zellbiologie
- Neurodegeneration
Hintergrund
- Die Blut-Hirn-Schranke ist für die Aufrechterhaltung der Gehirn-Homöostase unerlässlich.
- Funktionsstörungen der BBB sind mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen verbunden, darunter Alzheimer.
- Bestehende Modelle versagen oft beim Nachahmen der Komplexität des menschlichen Gehirns.
- Diese Studie schließt diese Lücke, indem ein In-vitro-Modell geschaffen wird, um die Dynamik der Blut-Hirn-Schranke bei Erkrankungen besser zu verstehen.
Zweck der Studie
- Untersuchung der Auswirkungen genetischer Faktoren, insbesondere von APOE4, auf die Integrität der Blut-Hirn-Schranke und die zerebrovaskuläre Pathologie.
- Ermöglichung personalisierter therapeutischer und diagnostischer Ansätze unter Verwendung von Zellen des Patienten.
- Identifizierung zellulärer und molekularer Signalwege, die mit der Pathogenese der Alzheimer-Krankheit assoziiert sind.
Verwendete Methoden
- Verwendung eines aus induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleiteten dreidimensionalen in-vitro-Modells der Blut-Hirn-Schranke.
- Zu den Hauptbestandteilen gehörten endotheliale Zellen, Astrozyten und differenzierte Parasiten zur Modellkonstruktion.
- Einschluss kritischer Schritte wie Zelldissoziation, Zentrifugation und Kokultur zur Entwicklung des Modells.
- Das Modell wurde zwei Wochen lang kultiviert, um krankheitsrelevante Phänotypen zu beobachten und zu messen.
Hauptergebnisse
- Nachgewiesen, dass das entwickelte Modell die Funktion und Pathologie der Blut-Hirn-Schranke wirksam repliziert, einschließlich der Amyloid-Akkumulation.
- Hervorgehoben, welche Rolle APOE4 bei der Erhöhung der Amyloid-Belastung über einen spezifischen pathogenetischen Weg spielt.
- Potenzielle therapeutische Strategien entdeckt, um die bei alternden APOE4-Mausmodellen beobachteten pathologischen Veränderungen umzukehren.
Schlussfolgerungen
- Die Studie veranschaulicht die Machbarkeit der Nutzung eines patientenbasierten In-vitro-Modells zur Erforschung zerebrovaskulärer Probleme im Zusammenhang mit Alzheimer.
- Zeigt, wie dieses Modell Einblicke für zukünftige therapeutische Strategien liefern kann, die auf die Blut-Hirn-Schranke bei neurodegenerativen Erkrankungen abzielen.
- Die Implikationen reichen bis zu personalisierten medizinischen Ansätzen zur Aufklärung und Behandlung der Alzheimer-Krankheit.
Häufig gestellte Fragen
Aussagekräftige Relevanz für die Industrie
Die in-vitro-Rekonstruktion der menschlichen Blut-Hirn-Schranke (BBB) behebt einen kritischen Engpass in der ZNS-Wirkstoffforschung, indem sie die mechanistische Untersuchung der Schrankenfunktion und krankheitsrelevanter Pathologien ermöglicht. Diese Plattform erhöht die Vorhersagesicherheit hinsichtlich der therapeutischen Zufuhr und der Validierung von Zielstrukturen in Pipelines für neurodegenerative Erkrankungen. Die Flexibilität des Modells unterstützt die portfolioübergreifende Bewertung genetischer und umweltbedingter Risikofaktoren, die den ZNS-Zugang und die Wirksamkeit von Wirkstoffen beeinflussen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die mechanistische Ent-Risikobewertung von therapeutischen Hypothesen im Zusammenhang mit der Blut-Hirn-Schranke bei Neurodegeneration.
- Unterstützt die funktionelle Validierung von Zielstrukturen durch Modellierung menschspezifischer zerebrovaskulärer Interaktionen.
- Erleichtert die Untersuchung genetischer Risikofaktoren wie APOE4 in krankheitsrelevanten Kontexten.
- Bietet eine Plattform zur Priorisierung von Zielstrukturen basierend auf der menschlichen Biologie der Blut-Hirn-Schranke anstelle von tierischen Ersatzmodellen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bereitet validierte, physiologisch relevante BBB-Systeme für die Verbindungsscreening-Workflows vor.
- Ermöglicht die quantitative Beurteilung der Arzneimittel-Permeabilität und Amyloid-Pathologie unter kontrollierten Bedingungen.
- Unterstützt die Standardisierung und Reproduzierbarkeit von Assays für Studien zur Arzneimittelabgabe ins zentrale Nervensystem.
- Ermöglicht eine skalierbare Anpassung zur Optimierung der medizinischen Chemie von zentralnervensystem-penetrierenden Verbindungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Korrigiert in vitro-Befunde mit krankheitsrelevanten Phänotypen, die bei Alzheimer und verwandten Erkrankungen beobachtet werden.
- Ermöglicht Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung, indem patientenspezifische genetische Hintergründe modelliert werden.
- Unterstützt risikoadjustierte Fortschrittsentscheidungen durch menschenrelevante Daten zur Integrität und Pathologie der Blut-Hirn-Schranke.
- Ermöglicht die translationale Biomarkerforschung zum Fortschreiten zerebrovaskulärer Erkrankungen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieses iBBB-Modell verbindet die frühe Entdeckung, die Identifizierung von Leitstrukturen und die präklinische Forschung, indem es ein für den Menschen relevantes System für die Hypothesenprüfung und die Bewertung von Verbindungen bereitstellt.
- Entdeckungsbiologie Unterstützt die Nullhypothesenprüfung der Blut-Hirn-Schranke-Funktion und von Krankheitsmechanismen im menschlichen Kontext.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative Ergebnisse zur Permeabilität von Verbindungen und zur Ablagerung von Amyloid.
- Analytik: Ermöglicht die Messung molekularer und zellulärer Endpunkte zum Vergleich genetischer und umweltbedingter Bedingungen.
- Translationale Forschung Verknüpft in-vitro-Befunde mit präklinischen Modellen und patientenabgeleiteten Daten zur Biomarker-Korrelation.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine modulare, wiederverwendbare Plattform, die an verschiedene zentrale Nervensystem-Erkrankungsprogramme anpassbar ist.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bei therapeutischen Strategien, die auf die Blut-Hirn-Schranke abzielen, und verringert mechanistische Unklarheiten.
- Operativer Wert: Standardisiert die Modellierung der Blut-Hirn-Schranke, um die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit innerhalb von Forschungs- und Entwicklungsgruppen zu gewährleisten.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungsfindung über die Fortführung oder Einstellung von Projekten im Bereich zentrales Nervensystem, indem menschenrelevante Daten zur Blut-Hirn-Schranke bereitgestellt werden.
- Portfolio-Implikation: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Projekten im Bereich zentrales Nervensystem basierend auf validierten Wechselwirkungen mit der Blut-Hirn-Schranke.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Differenzierung von Stammzellen und der dreidimensionalen Gewebeassemblierung.
- Benötigt Zugang zu einer fortgeschrittenen Zellkultur- und Bildgebungstechnologie.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise über Teamgrenzen hinweg, um die Reproduzierbarkeit von Assays und die Vergleichbarkeit der Daten sicherzustellen.
- Kann mit patientenabgeleiteten iPSCs verschiedener genetischer Hintergründe angepasst werden.
- Ist durch die Unfähigkeit des In-vitro-Systems begrenzt, die Komplexität des Gehirns im In-vivo-Zustand vollständig nachzubilden.
