$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Funkcja bariery krew-mózg
Bariera krew-mózg (BBB) tworzy granicę, która ogranicza przepływ substancji z krwi do mózgu. Bariera krew-mózg składa się z komórek śródbłonka mikronaczyniowego mózgu (BMEC), które tworzą monowarstwę wyściełającą naczynia krwionośne. BMEC wraz z astrocytami, neuronami, perycytami, mikroglejem i macierzą zewnątrzkomórkową tworzą jednostkę nerwowo-naczyniową. BMEC mają ściśle regulowaną strukturę parakomórkową, która pozwala BBB utrzymywać wysoki przezśródbłonkowy opór elektryczny (TEER), który ogranicza bierną dyfuzję i służy jako wskaźnik integralności bariery1,2. BMEC zawierają również białka, które pomagają w ruchu międzykomórkowym, takim jak endocytoza, transcytoza i transmigracja, a także wynaczynienie leukocytów podczas odpowiedzi immunologicznej3. BMEC polegają na transporterach napływu i odpływu w celu odżywiania i usuwania produktów przemiany materii, w celu utrzymania równowagi homeostatycznej w mózgu3. Na przykład nośnik substancji rozpuszczonej z rodziny 2 członek 1 (SLC2A1) jest transporterem napływu odpowiedzialnym za ruch glukozy przez BBB4, podczas gdy transportery wypływu, takie jak podrodzina kasety wiążącej ATP B member 1 (ABCB1) i podrodzina kasety wiążącej ATP C Member 1 (ABCC1) są odpowiedzialne za powrót substratów z powrotem do krwiobiegu3, 5,6,7. Substraty ABCB1 obejmują morfinę, werapamil4 oraz leki przeciwpsychotyczne, takie jak olanzapina i risperidon8, podczas gdy transporter ABCC1 ma różne substraty, w tym koniugaty siarczanowe, winkrystynę i koniugaty glukuronidowe4.
Zastosowanie modeli BBB w zaburzeniach psychicznych
Dysfunkcja BBB jest związana z wieloma zaburzeniami neurologicznymi i psychiatrycznymi, w tym schizofrenią i chorobą afektywną dwubiegunową9,10. Ostatnio modele komórkowe ex vivo pochodzące z iPSC są wykorzystywane do badania komórkowych i molekularnych podstaw zaburzeń psychicznych, ale modele te obecnie nie uwzględniają potencjalnej roli odgrywanej przez neurovasculature11,12,13. Przypuszcza się, że cytokiny zapalne obwodowe krążące we krwi mogą niekorzystnie wpływać na BBB14,15,16,17, ale istnieją również dowody na paracellular18,19,20,21,22, transcellular23,24,25,26,27,28,29, and extracellular matrix20,29,30,31,32 nieprawidłowości przyczyniające się do dysfunkcji bariery krew-mózg. Zaburzenie bariery krew-mózg może spowodować, że zawartość krwi dostanie się do miąższu mózgu i aktywuje astrocyty i/lub mikroglej w celu uwolnienia cytokin prozapalnych, które z kolei inicjują reakcję zapalną33, która może mieć szkodliwy wpływ na mózg34. BMEC są głównym składnikiem bariery krew-mózg, a badanie struktury i funkcji tych komórek może poprawić zrozumienie dysfunkcji bariery krew-mózg w zaburzeniach neurologicznych i psychiatrycznych.
Alternatywne modele BMEC
Przed opracowaniem wydajnych protokołów do wyprowadzania BMEC z iPSCs1,6,35,36, naukowcy wykorzystali unieśmiertelnione BMECs37 do zbadania funkcji BBB. Jednak wielu z tych modeli nie udało się osiągnąć pożądanych fenotypów BBB, takich jak fizjologiczny zakres wartości TEER38,39. Wykorzystanie iPSC ma tę zaletę, że zachowuje tło genetyczne osoby, od której pochodzą komórki. Naukowcy aktywnie pracują nad stworzeniem modeli mikrośrodowiska ex vivo opartych na iPSC, które podsumowują strukturę i funkcje ludzkiego mózgu. Naukowcy opracowali metody uzyskiwania BMEC, które są strukturalnie i fizjologicznie podobne do BMEC znalezionych in vivo. Metody uzyskiwania oczyszczonych populacji BMEC pochodzących z iPSC wymagają wielu różnych kroków, a protokoły zostały zoptymalizowane w ciągu ostatnich kilku lat1,6,35,36. Ogólnie rzecz biorąc, BMEC pochodzące z iPSC są hodowane w pożywce Essential 6 (E6) przez 4 dni, a następnie przez 2 dni w pożywce wolnej od surowicy śródbłonka (hESFM) uzupełnionej podstawowym czynnikiem wzrostu fibroblastów (bFGF), kwasem retinowym (RA) i suplementem B27. Komórki są następnie hodowane na matrycy kolagenu IV (COL4) i fibronektyny (FN) w celu uzyskania >90% jednorodnych BMECs1.
Tożsamość BMEC jest potwierdzona przez immunofluorescencję wykazującą koekspresję białek BMEC, w tym cząsteczki adhezyjnej komórek płytkowo-śródbłonkowych-1 (PECAM1), SLC2A1 i białek o ścisłym połączeniu, takich jak białko ścisłego połączenia 1 (TJP1), okludyna (OCLN) i klaudyna-5 (CLDN5)6. Testy kiełkowania zostały wykorzystane do potwierdzenia potencjału angiogennego BMEC pochodzących z iPSC. 6 Integralność BBB BMEC jest oceniana na podstawie obecności fizjologicznych wartości TEER in vitro (~2000Ω x cm2)37 oraz mierzalnej aktywności dla transporterów wypływu, takich jak ABCB1 i ABCC11,6,36. Ostatnie postępy metodologiczne grupy Lippmanna doprowadziły do powstania protokołów BMEC opartych na iPSC o zmniejszonej zmienności eksperymentalnej i zwiększonej odtwarzalności1. Nie wiadomo jednak, czy można je rozszerzać i przechodzić poza etap podhodowli. Nasz zmodyfikowany protokół ma na celu rozwiązanie tego problemu poprzez przejście BMEC pochodzących z iPSC po 8 dniu i ocenę, czy można je dalej rozszerzać, aby zachować właściwości BBB po krioprezerwacji. Chociaż żadne badania nie opisywały pasażowania BMEC pochodzących z iPSC, istnieje protokół kriokonserwacji BMEC, który zachowuje fizjologiczne właściwości BBB po przejściu cyklu zamrażania i rozmrażania40. Nie wiadomo jednak, czy BMEC po krioprezerwacji mogą być pasażowane i zachowywać właściwości BBB.
BMEC pochodzące z iPSC za pomocą protokołu Lippmanna zostały wykorzystane do modelowania zaburzeń BBB w zaburzeniach neurologicznych, takich jak choroba Huntingtona7. Takie BMEC pochodzące z iPSC zostały również wykorzystane do zbadania wpływu infekcji bakteryjnej, takiej jak Neisseria meningitidis lub Streptococcus grupy B, na zakłócenie bariery krew-płyn mózgowo-rdzeniowy i odpowiednio BBB41,42. Ponadto, wykorzystując BMEC pochodzące z iPSC od pacjentów ze schizofrenią z zespołem delecji 22q, naukowcy zaobserwowali wzrost międzykomórkowej cząsteczki adhezyjnej-1 (ICAM-1), głównej cząsteczki adhezyjnej w BMEC, która pomaga w rekrutacji i wynaczynieniu leukocytów do mózgu43. Podsumowując, badania te wykazują przydatność BMEC pochodzących z iPSC do badania zaburzeń bariery krew-mózg w złożonych zaburzeniach neuropsychiatrycznych.