Reconstrucción de la barrera hematoencefálica in vitro para modelar y atacar terapéuticamente la enfermedad neurológica
20 de octubre de 2023
La barrera hematoencefálica (BHE) desempeña un papel crucial en el mantenimiento de un entorno cerebral estable y saludable. La disfunción de la barrera hematoencefálica se asocia con muchas enfermedades neurológicas. Hemos desarrollado un modelo 3D derivado de células madre de la BHE para investigar la patología cerebrovascular, la integridad de la BHE y cómo la BHE se ve alterada por la genética y la enfermedad.
Nuestro objetivo es determinar los mecanismos moleculares y celulares que median la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer para descubrir oportunidades terapéuticas y diagnósticas. En la actualidad, las vías y mecanismos moleculares implicados en la aparición y el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer son poco conocidos. Esto se debe a que los modelos de ratón y otros modelos in vitro de la enfermedad de Alzheimer no logran recapitular la biología humana única que es crucial para el desarrollo de la enfermedad.
Hemos desarrollado un modelo in vitro de la barrera hematoencefálica que se puede aplicar para estudiar patologías cerebrovasculares asociadas a la enfermedad de Alzheimer, demencia y otras formas de neurodegeneración. Este modelo se ha empleado para demostrar que APOE4, el factor de riesgo más fuerte para la enfermedad de Alzheimer, actúa en parte a través de una vía específica del parásito para aumentar la carga de amiloide patógeno Utilizando células madre pluripotentes inducidas, podemos construir tejido cerebral humano in vitro que se puede utilizar para investigar la patología de la enfermedad y el cribado de fármacos. Este modelo de barrera hematoencefálica in vitro permite enfoques terapéuticos y diagnósticos personalizados.
Nuestro modelo 3D in vitro de barrera hematoencefálica demuestra interacciones fisiológicamente relevantes, incluida la formación del tubo vascular y la localización de los extremos de los astrocitos con la vasculatura. También es capaz de modelar fenotipos relevantes para la enfermedad, incluida la patología amiloide. Por último, el uso de células madre pluripotentes inducidas derivadas del paciente permite el estudio de cualquier fondo genético deseado.
Utilizando el modelo de barrera hematoencefálica in vitro, descubrimos vías que median la acumulación patológica de amiloide cerebrovascular. Esto nos llevó a explorar estrategias terapéuticas que puedan revertir esta patología en ratones APOE4 envejecidos, a los que actualmente estamos dando seguimiento.
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Resumen
Este estudio investiga el papel de la barrera hematoencefálica (BHE) en la enfermedad de Alzheimer mediante el desarrollo de un modelo in vitro tridimensional derivado de células madre humanas. El modelo tiene como objetivo estudiar los mecanismos moleculares subyacentes a la patología cerebrovascular y cómo los factores genéticos influyen en la integridad de la BHE, particularmente en relación con las enfermedades neurodegenerativas.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Biología Celular
- Neurodegeneración
Antecedentes
- La barrera hematoencefálica es esencial para mantener la homeostasis cerebral.
- La disfunción de la BHE está relacionada con diversas enfermedades neurológicas, incluida la enfermedad de Alzheimer.
- Los modelos existentes a menudo no logran imitar las complejidades del cerebro humano.
- Este estudio aborda esta brecha mediante la creación de un modelo in vitro para comprender mejor la dinámica de la BHE en enfermedades.
Objetivo del estudio
- Explorar los efectos de los factores genéticos, particularmente APOE4, sobre la integridad de la BHE y la patología cerebrovascular.
- Facilitar enfoques terapéuticos y diagnósticos personalizados mediante el uso de células derivadas de pacientes.
- Identificar las vías celulares y moleculares asociadas con la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer.
Métodos Utilizados
- Se utilizó un modelo tridimensional in vitro de la barrera hematoencefálica derivado de células madre pluripotentes inducidas.
- Los componentes clave incluyeron células endoteliales, astrocitos y parásitos diferenciados para el ensamblaje del modelo.
- Se llevaron a cabo pasos críticos como la disociación celular, la centrifugación y el cultivo conjunto para desarrollar el modelo.
- El modelo se mantuvo en cultivo durante dos semanas para observar y medir fenotipos relevantes para la enfermedad.
Resultados principales
- Se demostró que el modelo desarrollado replica eficazmente la funcionalidad y la patología de la barrera hematoencefálica, incluyendo la acumulación de amiloide.
- Se destacó el papel del APOE4 en el aumento de la carga amiloide mediante una vía patógena específica.
- Se descubrieron estrategias terapéuticas potenciales para revertir los cambios patológicos observados en modelos murinos envejecidos de APOE4.
Conclusiones
- El estudio ilustra la viabilidad de utilizar un modelo in vitro derivado de pacientes para explorar problemas cerebrovasculares relacionados con el Alzheimer.
- Demuestra cómo este modelo puede proporcionar información para futuras estrategias terapéuticas dirigidas a la barrera hematoencefálica en condiciones neurodegenerativas.
- Las implicaciones se extienden a enfoques de medicina personalizada para comprender y tratar la enfermedad de Alzheimer.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La reconstrucción in vitro de la barrera hematoencefálica (BHE) humana aborda un cuello de botella crítico en el descubrimiento de fármacos para el sistema nervioso central al permitir la investigación mecanicista de la función de la barrera y de la patología relacionada con enfermedades. Esta plataforma aumenta la confianza predictiva en la entrega terapéutica y la validación de dianas en las líneas de desarrollo para enfermedades neurodegenerativas. La flexibilidad del modelo permite la evaluación general del portafolio de factores de riesgo genéticos y ambientales que afectan el acceso y la eficacia de los fármacos en el sistema nervioso central.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite reducir los riesgos mecanicistas de hipótesis terapéuticas relacionadas con la BHE en la neurodegeneración.
- Apoya la validación funcional de dianas mediante la modelización de interacciones cerebrovasculares específicas del ser humano.
- Facilita el análisis de factores de riesgo genéticos, como APOE4, en contextos relevantes para la enfermedad.
- Proporciona una plataforma para la selección de dianas basada en la biología humana de la BHE, en lugar de en modelos animales sustitutos.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Prepara sistemas de BBB validados y fisiológicamente relevantes para flujos de trabajo de cribado de compuestos.
- Permite la evaluación cuantitativa de la permeabilidad de fármacos y de la patología amiloide en un entorno controlado.
- Apoya la estandarización y reproducibilidad de ensayos para estudios de administración de fármacos en el SNC.
- Permite una adaptación escalable para la optimización en química medicinal de compuestos que penetran en el SNC.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Relaciona hallazgos in vitro con fenotipos relevantes para la enfermedad observados en la enfermedad de Alzheimer y trastornos relacionados.
- Permite la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica mediante la modelización de fondos genéticos específicos del paciente.
- Apoya decisiones de avance ajustadas al riesgo al proporcionar datos relevantes para humanos sobre la integridad de la barrera hematoencefálica y la patología.
- Facilita la exploración traslacional de biomarcadores para la progresión de enfermedades cerebrovasculares.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
Este modelo de iBBB conecta el descubrimiento temprano, la identificación de compuestos activos y la investigación preclínica al proporcionar un sistema relevante para humanos para la prueba de hipótesis y la evaluación de compuestos.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la verificación de hipótesis nulas sobre la función de la barrera hematoencefálica y los mecanismos de enfermedades en un contexto humano.
- Tamizaje: Proporciona resultados cuantitativos reproducibles sobre la permeabilidad de compuestos y la acumulación de amiloide.
- Análisis: Permite medir respuestas moleculares y celulares para comparar condiciones genéticas y ambientales.
- Investigación Traducional: Conecta hallazgos in vitro con modelos preclínicos y datos derivados de pacientes para alinear biomarcadores.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una plataforma modular y reutilizable adaptable a diversos programas de enfermedades del sistema nervioso central.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en estrategias terapéuticas dirigidas a la BHE y reduce la ambigüedad mecanicista.
- Valor operativo: Estandariza la modelización de la BHE para lograr reproductibilidad y escalabilidad entre equipos de I+D.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de avance o interrupción de activos del SNC al proporcionar datos de barrera relevantes para humanos.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de programas del SNC basada en interacciones validadas con la BHE.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en diferenciación de células madre y ensamblaje de tejidos tridimensionales.
- Exige acceso a infraestructura avanzada de cultivo celular y de imágenes.
- Necesita estandarización entre equipos para la reproducibilidad de ensayos y la comparabilidad de datos.
- Adaptable a diversos antecedentes genéticos mediante iPSC derivadas de pacientes.
- Limitado por la incapacidad del sistema in vitro para recapitular completamente la complejidad cerebral in vivo.
