신경 질환을 모델링하고 치료적으로 표적화하기 위한 체외 혈액-뇌 장벽 재건

Camille Goldman; Natalie Suhy; Jessica E. Schwarz; Emily Ruth Sartori; Rikki B. Rooklin; Braxton R. Schuldt; Louise A. Mesentier-Louro; Joel W. Blanchard

doi:10.3791/65921

방법 논문

신경 질환을 모델링하고 치료적으로 표적화하기 위한 체외 혈액-뇌 장벽 재건

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DOI:

10.3791/65921

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2023년 10월 20일

Camille Goldman^*¹^,²^,³^,⁴^,⁵ , Natalie Suhy^*¹^,²^,³^,⁴^,⁵ , Jessica E. Schwarz¹^,²^,³^,⁴^,⁵ , Emily Ruth Sartori¹^,²^,³^,⁴^,⁵ , Rikki B. Rooklin¹^,²^,³^,⁴^,⁵ , Braxton R. Schuldt¹^,²^,³^,⁴^,⁵ , Louise A. Mesentier-Louro¹^,²^,³^,⁴^,⁵ , Joel W. Blanchard¹^,²^,³^,⁴^,⁵

¹Icahn School of Medicine at Mount Sinai, ²Black Family Stem Cell Institute at Mount Sinai, ³Ronald M. Loeb Center for Alzheimer’s Disease at Mount Sinai, ⁴Friedman Brain Institute at Mount Sinai, ⁵Nash Family Department of Neuroscience at Mount Sinai

^* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

혈액뇌장벽(BBB)은 안정적이고 건강한 뇌 환경을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. BBB 기능 장애는 많은 신경 질환과 관련이 있습니다. 우리는 뇌혈관 병리, BBB 무결성, BBB가 유전학 및 질병에 의해 어떻게 변형되는지 조사하기 위해 BBB의 3D 줄기세포 유래 모델을 개발했습니다.

초록

혈액뇌장벽(BBB)은 중추신경계(CNS)의 핵심 생리학적 구성 요소로, 영양분을 유지하고 노폐물을 제거하며 병원균으로부터 뇌를 보호합니다. BBB의 고유한 장벽 특성은 신경 질환을 치료하기 위해 CNS로의 치료 약물 전달에 어려움을 제기합니다. BBB 기능 장애는 신경 질환과 관련이 있습니다. 대뇌 아밀로이드 혈관병증(CAA)은 대뇌 혈관에 아밀로이드가 침착되어 BBB가 손상되는 현상으로, 알츠하이머병(AD)의 대부분의 경우 동반 질환으로, BBB 기능 장애 또는 고장이 신경 퇴행에 관여할 수 있음을 시사합니다. 인간 BBB 조직에 대한 접근이 제한되어 있기 때문에 적절한 BBB 기능과 BBB 변성에 기여하는 메커니즘은 아직 알려져 있지 않습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 내피 세포, 주위 세포 및 성상세포를 3D 매트릭스에 통합하여 인간 만능 줄기 세포 유래 BBB(iBBB)를 개발했습니다. iBBB는 BBB에 존재하는 해부학적 구조와 세포 상호 작용을 요약하기 위해 자체 조립됩니다. iBBB에 아밀로이드를 파종하면 CAA의 주요 측면을 포착할 수 있습니다. 또한 iBBB는 뇌혈관 질환 및 신경 퇴행과 관련된 유전적 및 환경적 요인을 조절하여 유전학 및 생활 방식이 질병 위험에 미치는 영향을 조사할 수 있는 유연한 플랫폼을 제공합니다. 마지막으로, iBBB는 중추신경계에 대한 치료 전달을 최적화하기 위해 약물 스크리닝 및 의약 화학 연구에 사용할 수 있습니다. 본 프로토콜에서는 인간 만능줄기세포에서 발생하는 3가지 유형의 세포(내피세포, 주위세포, 성상교세포)의 분화, 분화된 세포를 iBBB로 조립하는 방법, 외인성 아밀로이드를 이용하여 in vitro 에서 CAA를 모델링하는 방법에 대해 설명합니다. 이 모델은 생물학적 충실도와 실험적 유연성을 모두 갖춘 시스템으로 살아있는 인간 뇌 조직을 연구하는 문제를 극복하고 인간 BBB와 신경 퇴행에서의 역할을 조사할 수 있습니다.

서론

혈액뇌장벽(BBB)은 중추신경계(CNS)를 말초에서 분리하여 적절한 신경 기능을 위한 이상적인 환경을 유지하는 핵심 미세혈관 네트워크입니다. 뇌는 대사 항상성 1,2,3,4를 유지하고, 노폐물 ^4,5,6을 제거하며, 병원균과 독소로부터 뇌를 보호함으로써 중추신경계로의 물질 유입과 유출을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다 ^7,8.

BBB의 일차 세포 유형은 내피 세포(EC)입니다. 중배엽 계통에서 유래 한 내피 세포는 혈관 (vasculature) ^1,9의 벽을 형성합니다. 미세혈관 EC는 서로 긴밀한 접합부를 형성하여 막의 투과성을 크게 감소<....