Ricostruzione della barriera emato-encefalica in vitro per modellare e colpire terapeuticamente la malattia neurologica
20 ottobre 2023
La barriera emato-encefalica (BBB) ha un ruolo cruciale nel sostenere un ambiente cerebrale stabile e sano. La disfunzione della BBB è associata a molte malattie neurologiche. Abbiamo sviluppato un modello 3D derivato da cellule staminali della BBB per studiare la patologia cerebrovascolare, l'integrità della BBB e il modo in cui la BBB viene alterata dalla genetica e dalla malattia.
Il nostro obiettivo è quello di determinare i meccanismi molecolari e cellulari che mediano la patogenesi della malattia di Alzheimer per scoprire opportunità terapeutiche e diagnostiche. Attualmente, i percorsi molecolari e i meccanismi coinvolti nell'insorgenza e nello sviluppo della malattia di Alzheimer sono poco compresi. Ciò è dovuto al fatto che i modelli murini e altri modelli in vitro di malattia di Alzheimer non riescono a ricapitolare la biologia umana unica che è cruciale per lo sviluppo della malattia.
Abbiamo sviluppato un modello in vitro della barriera emato-encefalica che può essere applicato per studiare le patologie cerebrovascolari associate al morbo di Alzheimer, alla demenza e ad altre forme di neurodegenerazione. Questo modello è stato impiegato per dimostrare che l'APOE4, il più forte fattore di rischio per la malattia di Alzheimer, agisce in parte attraverso un percorso parassita-specifico per aumentare il carico di amiloide patogeno Utilizzando cellule staminali pluripotenti indotte, possiamo costruire tessuto cerebrale umano in vitro che può essere utilizzato per studiare la patologia della malattia e gli screening farmacologici. Tale modello di barriera emato-encefalica in vitro consente approcci terapeutici e diagnostici personalizzati.
Il nostro modello 3D in vitro della barriera emato-encefalica dimostra interazioni fisiologicamente rilevanti, tra cui la formazione del tubo vascolare e la localizzazione delle estremità degli astrociti con la vascolarizzazione. È anche in grado di modellare fenotipi rilevanti per la malattia, inclusa la patologia amiloide. Infine, l'utilizzo di cellule staminali pluripotenti indotte derivate dal paziente consente lo studio di qualsiasi background genetico desiderato.
Utilizzando il modello di barriera emato-encefalica in vitro, abbiamo scoperto percorsi che mediano l'accumulo patologico di amiloide cerebrovascolare. Questo ci ha portato ad esplorare strategie terapeutiche in grado di invertire questa patologia nei topi APOE4 anziani, che stiamo attualmente seguendo.
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Panoramica
Questo studio analizza il ruolo della barriera emato-encefalica (BBB) nella malattia di Alzheimer sviluppando un modello tridimensionale in vitro derivato da cellule staminali umane. Il modello ha lo scopo di studiare i meccanismi molecolari alla base della patologia cerebrovascolare e il modo in cui i fattori genetici influenzano l'integrità della barriera emato-encefalica, in particolare in relazione alle malattie neurodegenerative.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Biologia cellulare
- Neurodegenerazione
Sfondo
- La barriera emato-encefalica è essenziale per il mantenimento dell'omeostasi cerebrale.
- Il malfunzionamento della BEE è associato a diverse malattie neurologiche, inclusa la malattia di Alzheimer.
- I modelli esistenti spesso non riescono a riprodurre le complessità del cervello umano.
- Questo studio colma la lacuna creando un modello in vitro per una migliore comprensione della dinamica della BEE nelle malattie.
Scopo dello studio
- Studiare gli effetti di fattori genetici, in particolare dell'APOE4, sull'integrità della barriera ematoencefalica e sulla patologia cerebrovascolare.
- Facilitare approcci terapeutici e diagnostici personalizzati mediante l'uso di cellule derivate dal paziente.
- Identificare i percorsi cellulari e molecolari associati alla patogenesi della malattia di Alzheimer.
Metodi Utilizzati
- Utilizzato un modello tridimensionale in vitro della barriera ematoencefalica derivato da cellule staminali pluripotenti indotte.
- I componenti principali includevano cellule endoteliali, astrociti e parassiti differenziati per l'assemblaggio del modello.
- Includeva passaggi fondamentali come la dissociazione cellulare, la centrifugazione e la co-coltura per sviluppare il modello.
- Il modello è stato mantenuto in coltura per due settimane al fine di osservare e misurare fenotipi rilevanti per la malattia.
Risultati principali
- Dimostrato che il modello sviluppato replica efficacemente la funzionalità e la patologia della barriera ematoencefalica, inclusa l'accumulazione di amiloide.
- Evidenziato il ruolo dell'APOE4 nell'aumentare il carico amiloide attraverso un percorso patogenetico specifico.
- Individuato potenziali strategie terapeutiche per invertire i cambiamenti patologici osservati nei modelli murini APOE4 di età avanzata.
Conclusioni
- Lo studio illustra la fattibilità dell'uso di un modello in vitro derivato da pazienti per esplorare problemi cerebrovascolari legati all'Alzheimer.
- Dimostra come questo modello possa fornire spunti utili per future strategie terapeutiche mirate alla BBB in condizioni neurodegenerative.
- Le implicazioni riguardano anche approcci di medicina personalizzata per comprendere e trattare la malattia di Alzheimer.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La ricostruzione in vitro della barriera ematoencefalica (BBB) umana affronta un collo di bottiglia fondamentale nella scoperta di farmaci per il sistema nervoso centrale, consentendo un'analisi meccanicistica della funzione della barriera e delle patologie rilevanti per le malattie. Questa piattaforma aumenta l'affidabilità predittiva per la somministrazione di terapie e la validazione di bersagli nei percorsi per le malattie neurodegenerative. La flessibilità del modello supporta la valutazione su tutta la linea di prodotti di fattori di rischio genetici e ambientali che influenzano l'accesso e l'efficacia dei farmaci nel sistema nervoso centrale.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette la riduzione dei rischi meccanicistici delle ipotesi terapeutiche relative alla BBB nelle malattie neurodegenerative.
- Supporta la validazione funzionale dei bersagli modellando interazioni cerebrovascolari specifiche dell'uomo.
- Consente l'analisi dei fattori di rischio genetici, come APOE4, in contesti rilevanti per la malattia.
- Fornisce una piattaforma per la selezione dei bersagli basata sulla biologia umana della BBB piuttosto che su modelli animali.
Sviluppo di screening e saggi
- Prepara sistemi BBB validati e fisiologicamente rilevanti per flussi di lavoro di screening di composti.
- Consente la valutazione quantitativa della permeabilità dei farmaci e della patologia amiloide in un contesto controllato.
- Supporta la standardizzazione e la riproducibilità dei saggi per studi sul rilascio di farmaci nel sistema nervoso centrale.
- Permette un'adattabilità scalabile per l'ottimizzazione della chimica medicinale di composti che penetrano nel sistema nervoso centrale.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i risultati ottenuti in vitro a fenotipi rilevanti per la malattia, osservati nell'Alzheimer e in disturbi correlati.
- Permette una continuità dalla fase di scoperta alla validazione preclinica, modellando contesti genetici specifici del paziente.
- Supporta decisioni di avanzamento personalizzate in base al rischio, fornendo dati pertinenti all'uomo sull'integrità della barriera emato-encefalica e sulla patologia.
- Facilita l'esplorazione di biomarcatori traslazionali per il decorso della malattia cerebrovascolare.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo modello iBBB collega la fase iniziale della scoperta, l'identificazione dei composti promettenti e la ricerca preclinica, fornendo un sistema rilevante per l'uomo per la verifica delle ipotesi e la valutazione dei composti.
- Biologia della scoperta: Supporta il test dell'ipotesi nulla sulla funzione della barriera ematoencefalica e sui meccanismi delle malattie in un contesto umano.
- Screening: Fornisce risultati quantitativi e riproducibili sulla permeabilità dei composti e sull'accumulo di amiloide.
- Analisi: Permette la misurazione di parametri molecolari e cellulari per confrontare condizioni genetiche e ambientali.
- Ricerca traslazionale: Collega i risultati ottenuti in vitro a modelli preclinici e dati derivati da pazienti per l'allineamento dei biomarcatori.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma modulare e riutilizzabile, adattabile a diversi programmi sulle malattie del sistema nervoso centrale.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nelle strategie terapeutiche mirate alla barriera ematoencefalica e riduce l'ambiguità meccanicistica.
- Valore operativo: Standardizza la modellizzazione della barriera ematoencefalica per garantire riproducibilità e scalabilità tra i diversi team di ricerca e sviluppo.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione dei progetti su asset del sistema nervoso centrale fornendo dati sulla barriera rilevanti per l'uomo.
- Impatto sul portafoglio: Permette la priorizzazione dei programmi sul sistema nervoso centrale in base a interazioni con la barriera ematoencefalica validate, adeguata al livello di rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella differenziazione delle cellule staminali e nell'assemblaggio di tessuti tridimensionali.
- Richiede l'accesso a infrastrutture avanzate per la coltura cellulare e l'analisi mediante imaging.
- Necessita di una standardizzazione tra gruppi di lavoro per garantire la riproducibilità del saggio e la confrontabilità dei dati.
- Adattabile a diversi background genetici utilizzando iPSC derivate da pazienti.
- Limitato dall'incapacità del sistema in vitro di riprodurre pienamente la complessità cerebrale in vivo.
