Reconstruction de la barrière hémato-encéphalique in vitro pour modéliser et cibler thérapeutiquement les maladies neurologiques
20 octobre 2023
La barrière hémato-encéphalique joue un rôle crucial dans le maintien d’un environnement cérébral stable et sain. Le dysfonctionnement de la BHE est associé à de nombreuses maladies neurologiques. Nous avons développé un modèle 3D dérivé de cellules souches de la BHE pour étudier la pathologie cérébrovasculaire, l’intégrité de la BHE et la façon dont la BHE est modifiée par la génétique et la maladie.
Notre objectif est de déterminer les mécanismes moléculaires et cellulaires qui interviennent dans la pathogenèse de la maladie d’Alzheimer afin de découvrir des opportunités thérapeutiques et diagnostiques. À l’heure actuelle, les voies moléculaires et les mécanismes impliqués dans l’apparition et le développement de la maladie d’Alzheimer sont mal compris. Cela est dû au fait que les modèles murins et d’autres modèles in vitro de la maladie d’Alzheimer ne parviennent pas à récapituler la biologie humaine unique qui est cruciale pour le développement de la maladie.
Nous avons développé un modèle in vitro de la barrière hémato-encéphalique qui peut être appliqué à l’étude des pathologies cérébrovasculaires associées à la maladie d’Alzheimer, à la démence et à d’autres formes de neurodégénérescence. Ce modèle a été utilisé pour montrer que l’APOE4, le facteur de risque le plus important de la maladie d’Alzheimer, agit en partie par le biais d’une voie spécifique au parasite pour augmenter la charge amyloïde pathogène En utilisant des cellules souches pluripotentes induites, nous pouvons construire des tissus cérébraux humains in vitro qui peuvent être utilisés pour étudier la pathologie de la maladie et les criblages de médicaments. Un tel modèle in vitro de barrière hémato-encéphalique permet des approches thérapeutiques et diagnostiques personnalisées.
Notre modèle 3D in vitro de barrière hémato-encéphalique démontre des interactions physiologiquement pertinentes, y compris la formation du tube vasculaire et la localisation des extrémités des astrocytes avec le système vasculaire. Il est également capable de modéliser des phénotypes liés à la maladie, y compris la pathologie amyloïde. Enfin, l’utilisation de cellules souches pluripotentes induites dérivées de patients permet l’étude de tout patrimoine génétique souhaité.
En utilisant le modèle in vitro de la barrière hémato-encéphalique, nous avons découvert des voies qui interviennent dans l’accumulation pathologique d’amyloïde cérébrovasculaire. Cela nous a amenés à explorer des stratégies thérapeutiques permettant d’inverser cette pathologie chez les souris APOE4 âgées, que nous suivons actuellement.
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Aperçu
Cette étude examine le rôle de la barrière hémato-encéphalique (BHE) dans la maladie d'Alzheimer en développant un modèle in vitro tridimensionnel dérivé de cellules souches humaines. Le modèle vise à étudier les mécanismes moléculaires sous-jacents à la pathologie cérébrovasculaire et la manière dont les facteurs génétiques influencent l'intégrité de la BHE, en particulier en lien avec les maladies neurodégénératives.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Biologie cellulaire
- Neurodégénérescence
Contexte
- La barrière hémato-encéphalique est essentielle pour maintenir l'homéostasie cérébrale.
- Un dysfonctionnement de la BHE est associé à diverses maladies neurologiques, notamment la maladie d'Alzheimer.
- Les modèles existants échouent souvent à imiter les complexités du cerveau humain.
- Cette étude comble cette lacune en créant un modèle in vitro permettant une meilleure compréhension des dynamiques de la BHE en situation pathologique.
Objectif de l'étude
- Étudier les effets des facteurs génétiques, en particulier de l'apoE4, sur l'intégrité de la BHE et la pathologie cérébrovasculaire.
- Faciliter des approches thérapeutiques et diagnostiques personnalisées à l'aide de cellules dérivées de patients.
- Identifier les voies cellulaires et moléculaires associées à la pathogenèse de la maladie d'Alzheimer.
Méthodes utilisées
- Utilisation d'un modèle in vitro de barrière hémato-encéphalique en 3D dérivé de cellules souches pluripotentes induites.
- Les composants clés comprenaient des cellules endothéliales, des astrocytes et des parasites différenciés pour l'assemblage du modèle.
- Étapes critiques incluant la dissociation cellulaire, la centrifugation et la co-culture pour développer le modèle.
- Le modèle a été maintenu en culture pendant deux semaines afin d'observer et de mesurer des phénotypes pertinents pour la maladie.
Résultats principaux
- A démontré que le modèle développé reproduit efficacement la fonctionnalité et la pathologie de la BHE, notamment l'accumulation d'amyloïdes.
- A mis en évidence le rôle de l'APOE4 dans l'augmentation de la charge amyloïde via une voie pathogène spécifique.
- A découvert des stratégies thérapeutiques potentielles permettant d'inverser les changements pathologiques observés chez les modèles murins âgés exprimant l'APOE4.
Conclusions
- L'étude illustre la faisabilité d'utiliser un modèle in vitro dérivé de patients pour explorer les troubles cérébrovasculaires liés à la maladie d'Alzheimer.
- Démontre comment ce modèle peut fournir des informations utiles pour de futures stratégies thérapeutiques ciblant la BHE dans les affections neurodégénératives.
- Les implications s'étendent à des approches de médecine personnalisée pour comprendre et traiter la maladie d'Alzheimer.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
La reconstitution in vitro de la barrière hémato-encéphalique humaine (BHE) répond à un goulot d'étranglement critique dans la découverte de médicaments pour le système nerveux central en permettant une analyse mécanistique de la fonction barrière et des pathologies pertinentes pour la maladie. Cette plateforme améliore la fiabilité prédictive pour la délivrance thérapeutique et la validation des cibles dans les pipelines de maladies neurodégénératives. La souplesse du modèle permet une évaluation à l'échelle du portefeuille des facteurs de risque génétiques et environnementaux qui influencent l'accès et l'efficacité des médicaments dans le système nerveux central.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet de réduire les risques mécanistiques liés aux hypothèses thérapeutiques concernant la BHE dans la neurodégénérescence.
- Permet une validation fonctionnelle des cibles en modélisant les interactions cérébrovasculaires spécifiques à l'humain.
- Facilite l'analyse des facteurs de risque génétiques, tels que l'APOE4, dans des contextes pertinents pour la maladie.
- Offre une plateforme de tri des cibles fondée sur la biologie humaine de la BHE plutôt que sur des modèles animaux.
Développement de criblages et de tests
- Prépare des systèmes validés de la BHE pertinents sur le plan physiologique pour les procédés de criblage de composés.
- Permet l'évaluation quantitative de la perméabilité des médicaments et de la pathologie amyloïde dans un environnement contrôlé.
- Favorise la standardisation et la reproductibilité des tests pour les études sur l'administration de médicaments au système nerveux central.
- Permet une adaptation évolutive pour l'optimisation en chimie médicinale de composés pénétrants dans le système nerveux central.
Recherche translationnelle et préclinique
- Aligne les résultats in vitro avec les phénotypes pertinents pour la maladie observés dans la maladie d'Alzheimer et les troubles apparentés.
- Permet une continuité allant de la découverte à la validation préclinique en modélisant les fonds génétiques spécifiques aux patients.
- Soutient les décisions d'avancement ajustées au risque en fournissant des données pertinentes pour l'humain sur l'intégrité et la pathologie de la barrière hémato-encéphalique.
- Facilite l'exploration de biomarqueurs translationnels pour la progression des maladies cérébrovasculaires.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Ce modèle iBBB comble le fossé entre la découverte précoce, l'identification de composés candidats et la recherche préclinique en fournissant un système pertinent pour l'homme permettant le test d'hypothèses et l'évaluation de composés.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification de l'hypothèse nulle concernant le fonctionnement de la barrière hémato-encéphalique et les mécanismes des maladies dans un contexte humain.
- Écrantage : Fournit des résultats reproductibles et quantitatifs sur la perméabilité des composés et l'accumulation d'amyloïdes.
- Analytique : Permet la mesure de paramètres moléculaires et cellulaires afin de comparer différentes conditions génétiques et environnementales.
- Recherche translationnelle : Relie les résultats obtenus in vitro à des modèles précliniques et à des données issues de patients pour assurer l'alignement des biomarqueurs.
- Réutilisation en entreprise : Offre une plateforme modulaire et réutilisable, adaptable à divers programmes de maladies du système nerveux central.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans les stratégies thérapeutiques ciblant la BHE et réduit l'ambiguïté mécanistique.
- Valeur opérationnelle : Normalise la modélisation de la BHE pour assurer la reproductibilité et l'évolutivité entre les équipes de recherche et développement.
- Valeur stratégique : Améliore les décisions de poursuite ou d'abandon des actifs du SNC en fournissant des données pertinentes sur la barrière humaine.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation ajustée au risque des programmes SNC fondée sur des interactions validées avec la BHE.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en différenciation des cellules souches et en assemblage de tissus en 3D.
- Exige un accès à des infrastructures avancées de culture cellulaire et d'imagerie.
- Implique une standardisation interéquipes pour assurer la reproductibilité des tests et la comparabilité des données.
- Adaptable à divers fonds génétiques à l’aide d’iPS dérivées de patients.
- Limité par l’incapacité du système in vitro à reproduire intégralement la complexité cérébrale in vivo.
