$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mózg jest oddzielony od krążenia ogólnoustrojowego przez nieprzepuszczalną strukturę, która ogranicza wymianę między miąższem mózgu a krwią, zwaną barierą krew-mózg (BBB). Zbudowany głównie z komórek śródbłonka mózgu, BBB dynamicznie oddziałuje z astrocytami, mikroglejem okołonaczyniowym i neuronami sąsiedniego miąższu mózgu. Trzy główne funkcje bariery krew-mózg to tworzenie i utrzymywanie homeostazy jonowej dla funkcji neuronalnych, zaopatrzenie mózgu w składniki odżywcze oraz ochrona przed toksycznymi urazami lub wnikaniem patogenów1,2, które przyczyniają się do utrzymania homeostazy mózgu i jego funkcji3. Bariera ta jest tak skuteczna, że tylko nieliczne leki mogą przekroczyć BBB4,5. Obecnie dostępne metody przewidywania, czy cząsteczka przejdzie przez barierę krew-mózg i dyfundują do mózgu, obejmują badania ex vivo materiału autopsyjnego, śledzenie obrazu w mózgu ochotników za pomocą MRI (rezonans magnetyczny) lub PET (pozycjonowa tomografia emisyjna) lub farmakodynamika i farmakokinetyczne badania przedkliniczne na zwierzętach6,7,8. Te techniki i modele mają pewne ograniczenia, takie jak ograniczona rozdzielczość PET i niska czułość MRI6,8, trudność w ilościowym określeniu cząsteczek (np. cząsteczek opartych na przeciwciałach), które słabo przenikają do mózgu7, a w przypadku badań przedklinicznych ich wysoki koszt i konieczność przeprowadzenia testów na zwierzętach.
Ostatni punkt jest ważny, ponieważ, zgodnie z zasadami 3R (zastąpienie, ograniczenie i udoskonalenie testów na zwierzętach), administracje regulacyjne poprosiły badaczy o pilne opracowanie naukowo dokładnej alternatywy dla eksperymentów na zwierzętach9,10,11,12,13,14,15.
W ciągu ostatnich dziesięcioleci zaproponowano kilka modeli BBB in vitro16,17,18 poprzez hodowlę na wkładkach membranowych komórek śródbłonka różnych gatunków, takich jak myszy, szczury, bydło i świnie. Jeśli chodzi o gatunek ludzki, rzadka i trudna dostępność komórek pierwotnych skłoniła naukowców do opracowania modeli ludzkich opartych na unieśmiertelnionych komórkach śródbłonka mózgu lub komórkach macierzystych pochodzenia ludzkiego19,20,21. Bariery te są właściwymi substytutami BBB in vitro, pod warunkiem, że wyrażają markery komórek śródbłonka, markery połączeń ścisłych, transportery wypływu, nośniki substancji rozpuszczonej, receptory i reagują na bodźce śródbłonka 20. Przebadano kilka modeli BBB wykorzystujących wkładki membrany filtracyjnej pokryte komórkami śródbłonka i innymi typami komórek (tj. astrocytami, neuronami lub perycytami22,23,24). Celem tych kokultur było zwiększenie cech fizycznych bariery krew-mózg poprzez wykorzystanie wydzielania rozpuszczalnych czynników przez astrocyty/neurony lub perycyty.
Niemniej jednak, żaden z tych modeli nie zawiera miąższu mózgu do badania i przewidywania losu kandydata na lek, gdy już przekroczy barierę. Dlatego naszym celem było zbudowanie komórkowego interfejsu krew/mózg, BBB-Minibrain, poprzez połączenie modelu BBB i kultury mieszanych komórek mózgowych w jednym zestawie. BBB-Minibrain wykorzystuje system hodowli składający się z porowatego filtra umieszczonego w studzience wielodołkowej płytki do hodowli komórkowej. Filtr jest pokryty komórkami hCMEC/D3, linią komórkową śródbłonka ludzkiego mózgu, która okazała się wysoce wiarygodna w testach na obecność narkotyków w BBB25,26,27, w celu utworzenia BBB. Minimózg, który jest współzróżnicowaną kulturą ludzkich neuronów i astrocytów pochodzących z linii komórkowej NTera/Cl2.D128,29 zmieszany razem z ludzką linią komórek mikrogleju CHME/Cl530 w stosunku odpowiadającym stosunkom mikrogleju do neuronów-astrocytów mózgu31, jest dobrze uprawiany na dnie płytki.
Oprócz badania przepływu leków przez barierę krew-mózg i ich losu w miąższu, interfejs krew-mózg w modelu celulo może być potężnym narzędziem do rozwiązania problemu wnikania patogenów do mózgu (neuroinwazyjność), dyspersji do mózgu (neurotropizm) i toksyczności (neurowirulencji), jaką mogą wywierać na komórki miąższowe mózgu. Badania nad neurowirulencją i inwazyjnością neuroinwazyjną przyniosłyby korzyści dzięki opracowaniu wydajnego modelu w celulo i byłyby korzystne w zastąpieniu modeli zwierzęcych. Korzystając z zestawu BBB-Minibrain32, zademonstrowaliśmy neuroinwazyjny fenotyp rzadkich mutantów wirusowych, które nagromadziły się we francuskim szczepie wirusa neurotropowego wirusa żółtej gorączki (tj. FNV-YFV33,34) użytym do przygotowania wycofanej żywej szczepionki YFV oraz przejścia neuroregeneracyjnej i neuroprotekcyjnej biomolekuły o nazwie Neurovita (zwanej dalej NV w manuskrypcie)35. Ponieważ NV nie przenika naturalnie przez błonę komórkową ani przez barierę krew-mózg, NV został połączony ze zmienną częścią (VHH) jednołańcuchowego przeciwciała lamy, które przenika przez błony biologiczne, w tym BBB, i działa jako cząsteczka penetrująca komórkę (CPM)36. Właściwość CPM VHH wydaje się zależeć od punktu izoelektrycznego i długości VHH37.
Ten test w celulo powinien umożliwić sortowanie cząsteczek, które potencjalnie mogłyby przekroczyć barierę krew-mózg przed przeprowadzeniem analizy farmakokinetycznej i farmakodynamicznej u zwierząt, a najlepiej w tym samym czasie, aby móc przewidzieć ich zachowanie w miąższu nerwowym. Ten system jest biologicznie istotny i łatwy do skonfigurowania i obsługi przez profesjonalistów dobrze wyszkolonych w hodowlach komórkowych26,29,30,38. Zainteresowanie takimi badaniami na celulo byłoby dwojakie: z jednej strony zmniejszenie kosztów badań przedklinicznych, a z drugiej ograniczenie stosowania testów na zwierzętach.