שחזור מחסום הדם-מוח במבחנה כדי למדל ולטפל במחלות נוירולוגיות
20 באוקטובר 2023
למחסום הדם-מוח (BBB) יש תפקיד מכריע בשמירה על סביבת מוח יציבה ובריאה. תפקוד לקוי של BBB קשור למחלות נוירולוגיות רבות. פיתחנו מודל תלת-ממדי, הנגזר מתאי גזע של BBB כדי לחקור פתולוגיה של כלי דם במוח, שלמות BBB, וכיצד BBB משתנה על ידי גנטיקה ומחלות.
מטרתנו היא לקבוע את המנגנונים המולקולריים והתאיים המתווכים פתוגנזה של מחלת אלצהיימר כדי לחשוף הזדמנויות טיפוליות ואבחוניות. כיום, המסלולים המולקולריים והמנגנונים המעורבים בהתפרצות ובהתפתחות של מחלת אלצהיימר אינם מובנים היטב. הסיבה לכך היא שמודלים של עכברים ומודלים אחרים של מחלת אלצהיימר במבחנה אינם מצליחים לשחזר ביולוגיה אנושית ייחודית שהיא חיונית להתפתחות המחלה.
פיתחנו מודל במבחנה של מחסום הדם-מוח שניתן ליישם כדי לחקור פתולוגיות של כלי דם במוח הקשורות למחלת אלצהיימר, דמנציה וצורות אחרות של ניוון עצבי. מודל זה שימש כדי להראות כי APOE4, גורם הסיכון החזק ביותר למחלת אלצהיימר, פועל בחלקו באמצעות מסלול ספציפי לטפיל כדי להגדיל את נטל העמילואיד הפתוגני באמצעות תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים, אנו יכולים לבנות רקמת מוח אנושית במבחנה שניתן להשתמש בה כדי לחקור פתולוגיה של מחלות ובדיקות סמים. מודל מחסום דם-מוח במבחנה כזה מאפשר גישות טיפוליות ואבחוניות מותאמות אישית.
מודל מחסום הדם-מוח התלת-ממדי שלנו במבחנה מדגים אינטראקציות פיזיולוגיות רלוונטיות, כולל היווצרות צינור כלי דם ולוקליזציה של קצות אסטרוציטים עם כלי דם. הוא גם מסוגל למדל פנוטיפים רלוונטיים למחלות, כולל פתולוגיה של עמילואיד. לבסוף, השימוש בתאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על ידי המטופל מאפשר לחקור כל רקע גנטי רצוי.
באמצעות מודל מחסום דם-מוח במבחנה, גילינו מסלולים המתווכים הצטברות עמילואיד מוחית פתולוגית. זה הוביל אותנו לחקור אסטרטגיות טיפוליות שיכולות להפוך את הפתולוגיה הזו בעכברי APOE4 זקנים, שאנו עוקבים אחריהם כעת.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן את תפקידה של מחסום הדם-מוח (BBB) במחלת אלצהיימר באמצעות פיתוח מודל in vitro תלת-ממדי המופק מתאי גזע אנושיים. המודל נועד לחקור את המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס הפתולוגיה הצרברווסקולרית ואת האופן שבו גורמים גנטיים משפיעים על שלמות מחסום הדם-מוח, במיוחד בהקשר של מחלות ניוורו-דגנרטיביות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- ביולוגיה של התא
- ניוродеגנרציה
רקע
- מחסום הדם-מוח חיוני לשמירה על הומיאוסטזיס במוח.
- שיבושים בתפקוד ה-BBB קשורים למחלות נוירולוגיות שונות, כולל מחלת האלצהיימר.
- מודלים קיימים נכשלים לעיתים קרובות בחיקוי המורכבויות של המוח האנושי.
- מחקר זה נותן מענה לפער זה על ידי יצירת מודל in vitro להבנה טובה יותר של הדינמיקה של ה-BBB במצב מחלה.
מטרת המחקר
- לבחון את השפעתם של גורמים גנטיים, ובמיוחד APOE4, על שלמות מחסום הדם המוח (BBB) ועל פתולוגיה צרברווסקולרית.
- להקל על גישות טיפוליות ואבחנתיות מותאמות אישית באמצעות תאים המופקים מחולים.
- לזהות מסלולים תאיים ומולקולריים הקשורים לפתוגנזה של מחלת אלצהיימר.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש במודל תלת-ממדי (3D) in vitro של מחסום דם-מוח שהופק מתאי גזע פלוריפוטנטיים מושריים.
- מרכיבים מרכזיים ששימשו להרכבת המודל כללו תאי אנדותל, אסטרוציטים וטפילים מובחנים.
- התהליך כלל שלבים קריטיים כגון דיסוציאציה של תאים, סנטריפוגציה ותרבית משותפת (co-culture) לפיתוח המודל.
- שמירה של המודל בתרבית למשך שבועיים לצורך תצפית ומדידה של פנוטיפים הרלוונטיים למחלה.
תוצאות עיקריות
- הוכח כי המודל שפותח משחזר ביעילות את התפקוד והפתולוגיה של מחסום הדם המוחי (BBB), כולל הצטברות עמילואיד.
- הודגש תפקידו של APOE4 בהגברת נטל העמילואיד דרך נתיב פתוגני ספציפי.
- נתגלו אסטרטגיות טיפוליות פוטנציאליות להפיכת שינויים פתולוגיים שנצפו במודלים של עכברים מזדקנים עם APOE4.
מסקנות
- המחקר מדגים את ההיתכנות של שימוש במודל in vitro המופק מחולה לבחינת בעיות קרביות מוחיות הקשורות למחלת האלצהיימר.
- מדגים כיצד מודל זה יכול לספק תובנות עבור אסטרטגיות טיפוליות עתידיות המכוונות למחסום הדם-מוח (BBB) במצבים ניווניים של מערכת העצבים.
- ההשלכות של המחקר חלות על גישות של רפואה מותאמת אישית להבנה וטיפול במחלת האלצהיימר.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שחזור של מחסום הדם-מוח (BBB) האנושי in vitro פותר צוואר בקבוק קריטי בגילוי תרופות למערכת העצבים המרכזית (CNS) על ידי מתן אפשרות לבדיקה מכניסטית של תפקוד המחסום ושל פתולוגיות הרלוונטיות למחלה. פלטפורמה זו מגבירה את הביטחון החזוי לגבי אספקת תרופות ותיקוף מטרות במסלולי פיתוח של מחלות ניווניות. הגמישות של המודל תומכת בהערכה רחבה של גורמי סיכון גנטיים וסביבתיים המשפיעים על הגישה של תרופות ל-CNS ועל יעילותן.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר הפחתת סיכונים מכניסטית של היפותזות טיפוליות הקשורות למחסום דם-מוח (BBB) בניוון עצבי.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של מטרות על ידי מידול אינטראקציות קרביו-וסקולריות ספציפיות לאדם.
- מקל על בחינת גורמי סיכון גנטיים, כגון APOE4, בהקשרים הרלוונטיים למחלה.
- מספק פלטפורמה לסינון מטרות המבוסס על ביולוגיית ה-BBB האנושית במקום על תחליפי בעלי חיים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מכין מערכות BBB מודקות ובעלות רלוונטיות פיזיולוגית עבור תהליכי סריקת תרכובות.
- מאפשר הערכה כמותית של חדירות תרופות ופתולוגיה של עמילואיד בסביבה מבוקרת.
- תומך בסטנדרטיזציה של הבדיקה ובשחזוריות עבור מחקרי הולכת תרופות למערכת העצבים המרכזית (CNS).
- מאפשר התאמה ניתנת להרחבה עבור אופטימיזציה של כימיה רפואית של תרכובות חודרות CNS.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאים ממצאים in vitro לפנוטיפים רלוונטיים למחלה שנצפו באלצהיימר ובהפרעות קשורות.
- מאפשר רצף משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות מידול של רקעים גנטיים ספציפיים לחולה.
- תומך בהחלטות קידום מותאמות סיכון על ידי אספקת נתונים רלוונטיים לבני אדם לגבי שלמות ה-BBB ופתולוגיה.
- מקל על חקירה של ביומרקרים תרגומיים להתקדמות של מחלות צרברו-וסקולריות.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
מודל iBBB זה מגשר בין שלבי הגילוי המוקדמים, זיהוי המולקולות המובילות (lead identification) ומחקר פרה-קליני, בכך שהוא מספק מערכת רלוונטית לבני אדם לבדיקת היפותזות ולהערכת תרכובות.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערת האפס של תפקוד ה-BBB ומנגנוני מחלה בהקשר אנושי.
- סינון: מספק תוצאות כמותיות הניתנות לשחזור עבור חדירות תרכובות והצטברות עמילואיד.
- אנליטיקה: מאפשר מדידה של מדדים מולקולריים ותאיים להשוואת תנאים גנטיים וסביבתיים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין ממצאים in vitro למודלים פרה-קליניים ונתונים המופקים מחולה לצורך התאמת סממנים ביולוגיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מספק פלטפורמה מודולרית וניתנת לשימוש חוזר, הניתנת להתאמה לתוכניות מחקר מגוונות של מחלות CNS.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי באסטרטגיות טיפוליות המכוונות למחסום הדם-מוח (BBB) ומפחית עמימות מכניסטית.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של מידול BBB לצורך הדירות ויכולת הרחבה בין צוותי מו"פ.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשך פיתוח (go/no-go) של נכסי CNS על ידי אספקת נתונים על מחסומים הרלוונטיים לבני אדם.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים של תוכניות CNS בהתבסס על אינטראקציות BBB מאושרות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדיפרנציאציה של תאי גזע ובהרכבת רקמות בתלת-ממד.
- מחייב גישה לתשתיות מתקדמות לתרביות תאים ולהדמיה.
- מצריך סטנדרטיזציה בין צוותים להבטחת השחזוריות של הבדיקה והשוואתיות הנתונים.
- ניתן להתאמה לרקעים גנטיים שונים באמצעות iPSCs המופקים מחולים.
- מוגבל בשל חוסר יכולתם של מערכות in vitro לשחזר באופן מלא את המורכבות של המוח in vivo.
