Лечение заболеваний головного мозга остается проблемой, учитывая сложность того, что препараты преодолевают ГЭБ для достижения своих клеточных и молекулярных целей в паренхиме мозга.
Разработка лекарств для лечения заболеваний головного мозга в настоящее время демонстрирует низкий уровень успеха, поскольку большинство препаратов, демонстрирующих многообещающие результаты в доклинических моделях, не показали никакой пользы при использовании в клинике. Следуя «правилу 3R», которое направлено на сокращение числа животных, используемых для экспериментов, разработаны модели BBB in vitro для изучения патологий головного мозга и прогнозирования проникновения в мозг лекарств29. Модели BBB in vitro в основном были разработаны с использованием клеток животных и стали более изощренными для повышения актуальности полученных результатов16. Один из значительных достижений в использовании клеток человека, который приносит неоспоримое новое понимание и большую специфичность, на клеточном и молекулярном уровнях, для изучения механизмов заболеваний человека16. Однако разработка соответствующих моделей требует рассмотрения вопроса об улучшении настроек модели BBB in vitro и знаний, возникающих благодаря моделям животных. Следовательно, необходимо учитывать сложность архитектуры ГЭБ и важность клеточно-клеточных коммуникаций для изучения ГЭБ в физиологических и патологических условиях30.
Протокол, представленный здесь, описывает метод создания полной человеческой модели ГЭБ in vitro , включающей три основных типа клеток ГЭБ, без ограничения доступа к мозговой ткани. Как многоклеточная система, индукция и поддержание свойств ГЭБ, без искусственного использования затягивающих соединений, но вместо этого индуцированных клеточно-клеточными коммуникациями, более физиологически значимы и соответствуют индукции in vivo свойств ГЭБ31. Таким образом, соблюдение хронологии протокола имеет первостепенное значение для успеха протокола. Кроме того, время инкубации во время схватывания тройной культуры и после сборки трех типов клеток представляет собой основные критические этапы протокола.
Свойства ГЭБ в ЕС индуцируются совместной культурой с перицитами, как описано для модели кокультуры24. Следовательно, культивирование перицитов на обратной стороне вставного фильтра является наиболее критической точкой и требует строгого соблюдения протокола с риском отсутствия достаточного количества перицитов для индукции свойств ГЭБ. Прежде всего, во время процедуры нанесения покрытия, а также посева клеток, необходимо уделять внимание тому, чтобы крышка чашки Петри не контактировала с покрытием, а также со средой после посева клеток, чтобы обеспечить хорошее покрытие фильтра и не потерять клетки (этапы 2.2.1 и 2.2.4). Кроме того, после засева перицитов необходимо дождаться указанного времени для прикрепления перицитов (этап 2.2.4), прежде чем возвращать вставной фильтр для покрытия и посева ЕС с другой стороны (этапы 2.2.5 и 2.3). После посева требуется шесть дней, чтобы индуцировать свойства ГЭБ посредством клеточной связи (этап 2.4).
Модель проверяется с точки зрения ограниченной проницаемости (связанной с установкой плотных соединений), поскольку ЭК модели тройной культуры отображают значения проницаемости для маркеров целостности ГЭБ, аналогичных проверенной модели совместной культуры, а также измеренные в проверенных моделях животных или человека 16,27,32. Кроме того, валидация модели BBB in vitro требует, помимо ограниченной проницаемости, чувствительности к другим типам клеток NVU и экспрессии функциональных рецепторов и транспортеров16. Кроме того, модель является воспроизводимой и производит несколько вставных фильтров и скважин для выполнения многочисленных анализов (экспрессия генов и белков, флуоресцентное окрашивание, тесты на токсичность) для каждого типа клеток отдельно, не требуя метода сортировки клеток.
Модель была разработана с использованием фильтра размером пор 0,4 мкм, чтобы иметь один тип ячейки на каждой стороне вставного фильтра. Вставная фильтрующая система позволяла изучать клеточно-клеточные коммуникации в физиологических условиях путем переноса ее на хорошо содержащие астроциты. Наличие астроцитов в системе представляет собой плюсовое значение по сравнению с исходной кокультурой in vitro модели24. Действительно, учитывая важность астроцитов в физиологии ГЭБ, этот третий тип клеток позволяет лучше понять связь между клетками в пределах ГЭБ. Кроме того, система тройной клеточной культуры также может быть изучена при патологических состояниях, таких как инсульт, при котором астроциты играют существенную роль 33,34,35. Кроме того, конструкция БЛЕК/перицитов с обеих сторон вставного фильтра может быть легко размещена на других типах клеток для имитации патологических состояний, таких как рак мозга23.
Размер пор вставного фильтра может привести к ограничениям в некоторых экспериментах, таких как трансмиграция клеток через ГЭБ. Однако разработка модели с большим размером пор требует адаптации протокола для обеспечения образования физиологического монослоя ЕС, а не нескольких слоев, что физиологически не имеет отношения к имитации ГЭБ36.
Применимость модели была продемонстрирована с помощью транспортного эксперимента НГ, демонстрирующего возможность проведения транспортного эксперимента с использованием многоклеточной системы. Тем не менее, следует знать о трудностях, связанных с наличием контрольного соединения или молекулы для транспортного эксперимента, разделяя сопоставимые свойства с НГ, поскольку каждая наноструктура проявляет уникальный набор свойств (молекулярная масса, заряд, форма, физические свойства, образование короны белка).
Одним из ограничений модели является отсутствие напряжения сдвига, которое, как было продемонстрировано, влияет на дифференцировку ЭК и экспрессию белков TJ37. Тем не менее, разработка жидкостной системы, имитирующей капилляр мозга, является сложной задачей, учитывая сложность добавления текучей части, требующей конкретного устройства, в многоклеточную систему. Кроме того, конкретное устройство обычно не является коммерчески доступным и не допускает многих реплик, что делает жидкостные системы менее приспособленными для использования с высокой пропускной способностью.
Таким образом, эта система тройной культуры, состоящая из клеток человека, воспроизводит in vitro архитектуру ГЭБ. Это позволяет генерировать множество вставок, которые могут быть использованы для обширного скрининга соединений.