Reconstructie van de bloed-hersenbarrière in vitro om neurologische aandoeningen te modelleren en therapeutisch aan te pakken
20 oktober 2023
De bloed-hersenbarrière (BBB) speelt een cruciale rol bij het in stand houden van een stabiele en gezonde hersenomgeving. BBB-disfunctie wordt in verband gebracht met veel neurologische aandoeningen. We hebben een 3D, stamcel-afgeleid model van de BBB ontwikkeld om cerebrovasculaire pathologie, BBB-integriteit te onderzoeken en hoe de BBB wordt veranderd door genetica en ziekte.
Ons doel is om de moleculaire en cellulaire mechanismen te bepalen die de pathogenese van de ziekte van Alzheimer mediëren om therapeutische en diagnostische mogelijkheden te ontdekken. Momenteel worden de moleculaire routes en mechanismen die betrokken zijn bij het ontstaan en de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer slecht begrepen. Dit komt doordat muismodellen en andere in vitro modellen voor de ziekte van Alzheimer er niet in slagen de unieke menselijke biologie te recapituleren die cruciaal is voor de ontwikkeling van de ziekte.
We hebben een in vitro model van de bloed-hersenbarrière ontwikkeld dat kan worden toegepast om cerebrovasculaire pathologieën te bestuderen die verband houden met de ziekte van Alzheimer, dementie en andere vormen van neurodegeneratie. Dit model is gebruikt om aan te tonen dat APOE4, de sterkste risicofactor voor de ziekte van Alzheimer, gedeeltelijk werkt via een parasietspecifieke route om de pathogene amyloïde belasting te verhogen Met behulp van geïnduceerde pluripotente stamcellen kunnen we in vitro menselijk hersenweefsel construeren dat kan worden gebruikt om ziektepathologie en medicijnscreenings te onderzoeken. Zo'n in vitro bloed-hersenbarrièremodel maakt gepersonaliseerde therapeutische en diagnostische benaderingen mogelijk.
Ons 3D in vitro bloed-hersenbarrièremodel toont fysiologisch relevante interacties, waaronder de vorming van vasculaire buizen en lokalisatie van astrocyt-eindvoeten met vasculatuur. Het is ook in staat om ziekterelevante fenotypes te modelleren, waaronder amyloïde pathologie. Ten slotte maakt het gebruik van geïnduceerde pluripotente stamcellen van de patiënt het mogelijk om elke gewenste genetische achtergrond te bestuderen.
Met behulp van het in vitro bloed-hersenbarrièremodel ontdekten we routes die pathologische cerebrovasculaire amyloïde accumulatie mediëren. Dit bracht ons ertoe om therapeutische strategieën te onderzoeken die deze pathologie kunnen omkeren bij oude APOE4-muizen, die we momenteel opvolgen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt de rol van de bloed-hersenbarrière (BBB) bij de ziekte van Alzheimer door de ontwikkeling van een 3D in vitro-model afgeleid van menselijke stamcellen. Het model is bedoeld om de moleculaire mechanismen ten grondslag aan cerebrovasculaire pathologie te bestuderen en te onderzoeken hoe genetische factoren de integriteit van de BBB beïnvloeden, in het bijzonder in relatie tot neurodegeneratieve ziekten.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Celbiologie
- Neurodegeneratie
Achtergrond
- De bloed-hersenbarrière is essentieel voor het handhaven van de homeostase in de hersenen.
- Een dysfunctie van de BBB is gekoppeld aan diverse neurologische aandoeningen, waaronder de ziekte van Alzheimer.
- Bestaande modellen slagen er vaak niet in om de complexiteit van de menselijke hersenen na te bootsen.
- Deze studie vult dit gat door een in vitro model te creëren voor een beter begrip van de BBB-dynamiek bij ziekten.
Doel van de studie
- Om de effecten van genetische factoren, in het bijzonder APOE4, op de integriteit van de bloed-hersenbarrière en cerebrovasculaire pathologie te onderzoeken.
- Om gepersonaliseerde therapeutische en diagnostische benaderingen te faciliteren met behulp van patiëntafgeleide cellen.
- Om cellulaire en moleculaire pathways te identificeren die geassocieerd zijn met de pathogenese van de ziekte van Alzheimer.
Gebruikte methoden
- Er is gebruikgemaakt van een 3D in vitro bloed-hersenbarrièremodel afgeleid van geïnduceerde pluripotente stamcellen.
- De belangrijkste componenten voor de assemblage van het model omvatten endotheelcellen, astrocyten en gedifferentieerde parasieten.
- Het ontwikkelen van het model omvatte kritieke stappen zoals celdissociatie, centrifugatie en co-cultuur.
- Het model is gedurende twee weken in cultuur gehouden om ziekte-relevante fenotypen waar te nemen en te meten.
Belangrijkste resultaten
- Aangetoond dat het ontwikkelde model de BBB-functionaliteit en pathologie, inclusief amyloïde-accumulatie, effectief repliceert.
- De rol van APOE4 bij het verhogen van de amyloïde-last via een specifiek pathogeen traject belicht.
- Potentiële therapeutische strategieën ontdekt om pathologische veranderingen om te keren die zijn waargenomen in verouderde APOE4-muismodellen.
Conclusies
- De studie illustreert de haalbaarheid van het gebruik van een patiëntafgeleid in vitro model om cerebrovasculaire problemen gerelateerd aan Alzheimer te onderzoeken.
- Het demonstreert hoe dit model inzichten kan verschaffen voor toekomstige therapeutische strategieën gericht op de bloed-hersenbarrière (BBB) bij neurodegeneratieve aandoeningen.
- De implicaties reiken tot gepersonaliseerde geneeskundige benaderingen voor het begrijpen en behandelen van de ziekte van Alzheimer.
Veelgestelde Vragen
Industriële relevantie voor leidinggevenden
Het in vitro reconstrueren van de menselijke bloed-hersenbarrière (BBB) pakt een kritiek knelpunt in de ontdekking van geneesmiddelen voor het CZS aan door mechanistische analyse van de barrièrefunctie en ziekterelateerde pathologie mogelijk te maken. Dit platform vergroot de voorspellende betrouwbaarheid voor therapeutische toediening en targetvalidatie in pipelines voor neurodegeneratieve ziekten. De flexibiliteit van het model ondersteunt de evaluatie op portefeuilleniveau van genetische en omgevingsfactoren die de toegang en effectiviteit van geneesmiddelen in het CZS beïnvloeden.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt mechanistische risicoreductie mogelijk van therapeutische hypothesen met betrekking tot de BBB bij neurodegeneratie.
- Ondersteunt functionele targetvalidatie door het modelleren van mensspecifieke cerebrovasculaire interacties.
- Faciliteert het onderzoeken van genetische risicofactoren, zoals APOE4, in ziekterelevaste contexten.
- Biedt een platform voor het prioriteren van targets op basis van de menselijke BBB-biologie in plaats van dierlijke surrogaten.
Screening & Assayontwikkeling
- Bereidt gevalideerde, fysiologisch relevante BBB-systemen voor voor compound-screeningworkflows.
- Maakt kwantitatieve beoordeling van geneesmiddelpermeabiliteit en amyloïde-pathologie mogelijk in een gecontroleerde setting.
- Ondersteunt assay-standaardisatie en reproduceerbaarheid voor studies naar CNS-drugdelivery.
- Maakt schaalbare aanpassing mogelijk voor medicinal-chemische optimalisatie van CNS-penetrante compounds.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Rijmt in vitro-bevindingen met ziekterelevante fenotypes die worden waargenomen bij de ziekte van Alzheimer en aanverwante stoornissen.
- Maakt continuïteit mogelijk van ontdekking tot preklinische validatie door patiëntspecifieke genetische achtergronden te modelleren.
- Ondersteunt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling door mensrelevante gegevens te verschaffen over de integriteit en pathologie van de BBB.
- Faciliteert translationeel onderzoek naar biomarkers voor de progressie van cerebrovasculaire ziekten.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit iBBB-model slaat een brug tussen vroege ontdekking, lead-identificatie en preklinisch onderzoek door een mensrelevant systeem te bieden voor hypothesetesten en de evaluatie van verbindingen.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt het toetsen van de nulhypothese met betrekking tot de BBB-functie en ziektemechanismen in een menselijke context.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor de permeabiliteit van verbindingen en amyloïde-accumulatie.
- Analytiek: Maakt de meting van moleculaire en cellulaire read-outs mogelijk om genetische en omgevingsfactoren te vergelijken.
- Translationeel onderzoek: Verbindt in vitro bevindingen met preklinische modellen en patiëntafgeleide data voor de afstemming van biomarkers.
- Enterprise hergebruik: Biedt een modulair, herbruikbaar platform dat aanpasbaar is aan diverse programma's voor CNS-ziekten.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in therapeutische strategieën gericht op de bloed-hersenbarrière (BBB) en vermindert mechanistische ambiguïteit.
- Operationele waarde: Standaardiseert BBB-modellering voor reproduceerbaarheid en schaalbaarheid over R&D-teams heen.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen voor CNS-middelen door mensgerelateerde barrièredata te verschaffen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van CNS-programma's mogelijk op basis van gevalideerde BBB-interacties.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in stamceldifferentiatie en 3D-weefselassemblage.
- Vereist toegang tot geavanceerde infrastructuur voor celkweek en beeldvorming.
- Maakt standaardisatie tussen teams noodzakelijk voor de reproduceerbaarheid van assays en de vergelijkbaarheid van gegevens.
- Aanpasbaar aan diverse genetische achtergronden met behulp van patiëntafgeleide iPSCs.
- Beperkt door het onvermogen van het in vitro-systeem om de in vivo complexiteit van de hersenen volledig te reproduceren.
