Ludzka Bbariera krew-mózg (BBB) stanowi unikalną granicę tkanki mózgowej, oddzielającą mózg od krwi. Ściśle reguluje ona przenikanie większych i hydrofilowych cząsteczek, blokuje dyfuzję parakomórkową i utrzymuje homeostazę mózgu. Chroni ona również mózg przed wahaniami składu osocza, toksynami i drobnoustrojami oraz kieruje komórkami zapalnymi w ramach odporności ośrodkowego układu nerwowego (OUN). Od czasu jej odkrycia przed stuleciem1, przeprowadzono wiele badań w celu zrozumienia struktury i funkcji BBB. Złożone interakcje komórek, białek i sygnałów z mózgu i krwi nadal wymagają dalszych badań oraz opracowania odpowiednich modeli.
Ludzka BBB składa się z trzech typów komórek: komórek śródbłonka mikro naczyniowego mózgu (BMECs), perycytów oraz astrocytów2,3. BMECs różnią się od większości komórek śródbłonka w organizmie tym, że posiadają dużą liczbę połączeń ścisłych i połączeń przylegających4, niską aktywność pinocytarną2,5 oraz ciągłą błonę podstawną6,7, co blokuje dyfuzję parakomórkową. Małe cząsteczki lipofilowe mogą dyfundować i przenikać przez BBB zgodnie z gradientem stężeń; większe i hydrofilowe cząsteczki wnikają do mózgu lub go opuszczają wyłącznie poprzez polaryzowane, selektywne systemy transportowe8. Regulacja ta skutkuje wysokim transendotelialnym oporem elektrycznym (TEER) na poziomie 1,500-2,000 Ω·cm2, który jest odwrotnie skorelowany z przepuszczalnością9,10. Choć BMECs tworzą szczelną barierę, mogą one reagować na sygnały lokalne i obwodowe11,12. Między BMECs a astrocytami zachodzi ścisła interakcja13; stopki końcowe astrocytów tworzą warstwę wokół naczyń i indukują tworzenie połączeń ścisłych13,14. Są one zaangażowane w dojrzewanie BBB za pomocą różnych czynników, w tym czynnika wzrostu transformującego-β (TGF-β)15,16. Ponadto perycyty odgrywają kluczową rolę w regulacji angiogenezy17 oraz zapobieganiu apoptozie śródbłonka podczas różnicowania komórkowego18 (Rycina 1). Są one osadzone w błonie podstawnej i zapewniają stabilność strukturalną ściany naczynia19.

Rycina 1: Schematyczna budowa bariery krew-mózg. Wyjątkowa struktura ludzkiej BBB składa się z trzech różnych typów komórek. Światło mikronaczynia jest otoczone komórkami śródbłonka, które charakteryzują się licznymi połączeniami ścisłymi i nie są fenestrowane. Są one osadzone w błonie podstawnej, podobnie jak perycyty. Komórki te są istotne dla stabilności strukturalnej ściany naczynia i obok astrocytów odgrywają rolę w rozwoju BBB. Ich stopki tworzą gęstą warstwę wokół naczynia i wspierają formowanie się połączeń ścisłych. Wszystkie elementy BBB są kluczowe dla prawidłowego funkcjonowania fizjologicznego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Wiele różnych patologii wiąże się z załamaniem bariery krew-mózg (BBB) (np. encefalopatia septyczna). U dotkniętych tym schorzeniem pacjentów obserwuje się podwyższone poziomy białka w płynie mózgowo-rdzeniowym20, a w miąższu mózgu dotkniętych gryzoni stwierdza się zwiększony wychwyt znakowanego koloidalnego tlenku żelaza oraz aminokwasów21,22. Wyniki te wskazują na zwiększoną przepuszczalność BBB, która występuje równocześnie ze zwiększoną pinocytozą w BMECs21 oraz aktywacją śródbłonka23. Inną powiązaną patologią związaną ze zmienioną BBB jest zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych – stan nagły i złożony stan zapalny któremu towarzyszy obrzęk mózgu, mogący prowadzić do śmierci komórek neuronalnych. Przypuszcza się, że głównym miejscem wnikania krążących bakterii są naczynia mikrokrążenia24; jednak BBB zapobiega wnikaniu bakterii. Przepuszczalność BBB nie zawsze jest powiązana ze wzrostem w eksperymentalnym zapaleniu opon mózgowo-rdzeniowych pochodzenia hematogennego25, a mechanizmy te mogą być wieloczynnikowe. Współwystępowanie sepsy z poprzedsytowym majaczeniem (POD)26 oraz związek z infekcjami przedoperacyjnymi27,28 wskazują na potrzebę stworzenia modelu BBB, który umożliwia bezpośrednią ekspozycję na bakterie, aby lepiej zrozumieć patogenezę bakteryjną.
Istnieje wiele luk w zrozumieniu i kwantyfikacji przenikania drobnoustrojów przez barierę krew-mózg (BBB). Dlatego opracowaliśmy model, który umożliwia wygodne testowanie różnych czynników i warunków przy bezpośredniej korelacji między przenikaniem bakterii a wpływem na przepuszczalność BBB. Poprzednie prace koncentrowały się na przepuszczalności parakomórkowej i obejmowały pomiary TEER oraz strumień znaczników. Dodatkowo transport makrocząsteczek analizowano za pomocą cząsteczek sprzężonych lub przeciwciał, przy czym opracowano różne modele wykorzystujące wyłącznie komórki śródbłonka lub ich kombinacje z astrocytami i perycytami. Ze względu na trudności w regularnym pozyskiwaniu tkanek ludzkich, stosuje się wiele modeli opartych na zwierzętach. Komórki śródbłonka mózgu pochodzenia bydlęcego i świńskiego tworzą szczelne monowarstwy o wysokim TEER, wykazują dobrze ukształtowaną polaryzację apikalno-bazalną i nadają się do badań transportu małych cząsteczek przez BBB. Białka te różnią się sekwencją od ich ludzkich homologów29,30, co utrudnia badania nad przeciwciałami terapeutycznymi. Z tego powodu preferowane mogą być modele hodowli mysich lub ludzkich. Myszy lub szczury jako źródła próbek mają tę zaletę, że pochodzą z dobrze scharakteryzowanych gatunków, ale dostarczają niewielu komórek do celów badawczych. Można temu zaradzić poprzez zastosowanie unieśmiertelnionych linii komórkowych endotelialnych mózgu myszy (END) bEND.3, bEND.5 lub cEND31,32,33.
Pierwotne hodowle komórek z tkanek ludzkich są trudne do pozyskania i regularnego utrzymania. Dlatego większość ludzkich modeli komórkowych stosowanych w badaniach nad ludzką BBB to unieśmiertelnione linie komórek śródbłonka. Opublikowaną linią komórkową jest ludzka linia komórek śródbłonka mikronaczyniowego mózgu hCMEC/D3, która dobrze nadaje się do badania wychwytu leków i jest łatwa w obsłudze. Komórki te tworzą monowarstwę i wykazują ekspresję charakterystycznych białek połączeń ścisłych BBB34, podczas gdy poziom ekspresji claudin-5 jest zgłaszany jako niższy niż w nienaruszonych mikronaczyniach35, a wiele specyficznych transporterów wykryto na poziomie transkrypcyjnym36 oraz w badaniach proteomicznych34. Stosunkowo niska wartość TEER w zakresie 30-50 Ω·cm2 wciąż stanowi wyzwanie37. Innym źródłem komórek śródbłonka mózgu są ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste (hPSCs)38 oraz ludzkie komórki macierzyste pochodzące z krwi pępowinowej z linii krążących progenitorów śródbłonka i linii hematopoetycznych39,40. Oba protokoły różnicowania prowadzą do powstania szczelnych monowarstw komórkowych i wysokich wartości TEER (np. 1,450 Ω·cm2 w kokulturach)38. Te modele komórek macierzystych wymagają szczególnej staranności w hodowli, jednak dają możliwość badania wpływu hormonów regulacyjnych41 lub chorób o podłożu genetycznym42 na rozwój BBB.
W niniejszym badaniu opracowaliśmy unieśmiertelnioną, transfekowaną linię ludzkich komórek śródbłonka mikrokrążenia mózgowego, THBMEC43aby naśladować barierę krew-mózg (BBB) i badać przenikanie bakterii. Komórki są wysiewane na filtr i hodowane do uzyskania 100% konfluencji w tym modelu hodowli komórkowej. Bakterie są inokulowane w górnej części komory hodowlanej. Stosujemy Escherichia coli (E. coli) w naszej próbie badawczej ze względu na wysoką częstość występowania E. coli zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych44Wykazano, że najniższa przepuszczalność monowarstwy komórek występuje między 13. a 15. dniem po wysianiu.45Dlatego też traktowanie monowarstwy THBMEC przeprowadza się po tym czasie, a następnie inokuluje bakterie w medium na powierzchni apikalnej monowarstwy. Po czasie inkubacji bakterie, które były w stanie przekroczyć barierę, są kwantyfikowane poprzez wysiewanie medium z bakteriami na płytki z agarem i zliczanie kolonii. Zwiększona liczba kolonii koreluje z wyższą przenikalnością bakterii przez BHE. Wartość TEER wynosi około 70 Ω·cm.2 46Nie jest jednak konieczne pomiar TEER w opisanym метоdzie. Choć jest to uznana wartość określająca przepuszczalność BBB, wydaje się ona nie mieć wpływu na przenikanie bakterii przez BBB. Nieleczone komórki służą w naszym modelu jako kontrola szczelności. W poprzednich badaniach wykazano, że komórki są zdolne do reakcji na cytokiny prozapalne i wykazują ekspresję typowych białek połączeń ścisłych.47Umożliwia to przesiewanie związków oraz walidację większego zestawu substratów transporterów i receptorów.