Реконструкция гематоэнцефалического барьера in vitro для моделирования и терапевтического воздействия на неврологические заболевания
20 октября 2023 г.
Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) играет решающую роль в поддержании стабильной и здоровой среды мозга. Дисфункция ГЭБ связана со многими неврологическими заболеваниями. Мы разработали 3D-модель ГЭБ на основе стволовых клеток для изучения цереброваскулярной патологии, целостности ГЭБ и того, как ГЭБ изменяется генетикой и заболеванием.
Наша цель состоит в том, чтобы определить молекулярные и клеточные механизмы, которые опосредуют патогенез болезни Альцгеймера, чтобы раскрыть терапевтические и диагностические возможности. В настоящее время молекулярные пути и механизмы, участвующие в возникновении и развитии болезни Альцгеймера, плохо изучены. Это связано с тем, что мышиные модели и другие модели болезни Альцгеймера in vitro не могут повторить уникальную биологию человека, которая имеет решающее значение для развития заболевания.
Мы разработали in vitro модель гематоэнцефалического барьера, которая может быть применена для изучения цереброваскулярных патологий, связанных с болезнью Альцгеймера, деменцией и другими формами нейродегенерации. Эта модель была использована, чтобы показать, что APOE4, самый сильный фактор риска болезни Альцгеймера, действует частично через паразит-специфический путь, увеличивая патогенную амилоидную нагрузку Используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, мы можем сконструировать ткань мозга человека in vitro, которая может быть использована для исследования патологии заболеваний и скрининга на лекарственные препараты. Такая модель гематоэнцефалического барьера in vitro позволяет применять персонализированные терапевтические и диагностические подходы.
Наша 3D-модель гематоэнцефалического барьера in vitro демонстрирует физиологически значимые взаимодействия, включая формирование сосудистых трубок и локализацию концевых ножек астроцитов с сосудами. Он также способен моделировать фенотипы, связанные с заболеванием, включая амилоидную патологию. Наконец, использование индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, полученных от пациентов, позволяет изучать любой желаемый генетический фон.
Используя модель гематоэнцефалического барьера in vitro, мы обнаружили пути, которые опосредуют патологическое цереброваскулярное накопление амилоида. Это привело нас к изучению терапевтических стратегий, которые могут обратить вспять эту патологию у пожилых мышей APOE4, за которыми мы в настоящее время следим.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании изучается роль гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) при болезни Альцгеймера путем разработки трехмерной модели in vitro на основе стволовых клеток человека. Модель предназначена для изучения молекулярных механизмов, лежащих в основе цереброваскулярной патологии, и того, как генетические факторы влияют на целостность ГЭБ, особенно в контексте нейродегенеративных заболеваний.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Клеточная биология
- Нейродегенерация
Теоретические основы
- Гематоэнцефалический барьер имеет решающее значение для поддержания гомеостаза головного мозга.
- Дисфункция ГЭБ связана с различными неврологическими заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера.
- Существующие модели часто не способны имитировать сложность человеческого мозга.
- Данное исследование восполняет этот пробел путем создания модели in vitro для лучшего понимания динамики ГЭБ при заболеваниях.
Цель исследования
- Изучить влияние генетических факторов, в частности APOE4, на целостность гематоэнцефалического барьера и цереброваскулярную патологию.
- Обеспечить возможность применения персонализированных терапевтических и диагностических подходов с использованием клеток, полученных от пациентов.
- Выявить клеточные и молекулярные пути, связанные с патогенезом болезни Альцгеймера.
Используемые методы
- Использовалась 3D-модель гематоэнцефалического барьера in vitro, полученная из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.
- Ключевые компоненты для сборки модели включали эндотелиальные клетки, астроциты и дифференцированных паразитов.
- Процесс разработки модели включал такие критические этапы, как диссоциация клеток, центрифугирование и совместное культивирование.
- Модель поддерживали в культуре в течение двух недель для наблюдения и измерения фенотипов, имеющих значение для заболевания.
Основные результаты
- Продемонстрировано, что разработанная модель эффективно воспроизводит функциональные особенности и патологию ГЭБ, включая накопление амилоида.
- Выявлена роль APOE4 в увеличении амилоидной нагрузки через специфический патогенный путь.
- Обнаружены потенциальные терапевтические стратегии для обращения патологических изменений, наблюдаемых в моделях стареющих мышей APOE4.
Выводы
- Данное исследование иллюстрирует возможность использования модели in vitro на основе клеток пациента для изучения цереброваскулярных нарушений, связанных с болезнью Альцгеймера.
- Продемонстрировано, как эта модель может дать представление о будущих терапевтических стратегиях, направленных на ГЭБ при нейродегенеративных заболеваниях.
- Результаты имеют значение для подходов персонализированной медицины в понимании и лечении болезни Альцгеймера.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для индустрии
Реконструкция гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) человека in vitro позволяет устранить критическое препятствие в разработке препаратов для центральной нервной системы (ЦНС), обеспечивая возможность механистического изучения функции барьера и патологий, имеющих значение при заболеваниях. Данная платформа повышает прогностическую достоверность доставки терапевтических средств и валидации мишеней в рамках разработки лекарств от нейродегенеративных заболеваний. Гибкость модели позволяет проводить комплексную оценку генетических и средовых факторов риска, влияющих на доступность и эффективность препаратов для ЦНС.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет снизить механистические риски при проверке терапевтических гипотез, связанных с ГЭБ, при нейродегенерации.
- Обеспечивает функциональную валидацию мишеней путем моделирования специфических для человека цереброваскулярных взаимодействий.
- Способствует изучению генетических факторов риска, таких как APOE4, в контекстах, релевантных заболеванию.
- Предоставляет платформу для отбора мишеней на основе биологии ГЭБ человека, а не животных-суррогатов.
Скрининг и разработка анализа
- Позволяет подготавливать валидированные, физиологически релевантные системы ГЭБ для рабочих процессов скрининга соединений.
- Обеспечивает количественную оценку проницаемости препаратов и амилоидной патологии в контролируемых условиях.
- Способствует стандартизации и воспроизводимости анализов для исследований по доставке препаратов в ЦНС.
- Позволяет масштабировать адаптацию для оптимизации соединений, проникающих в ЦНС, в рамках медицинской химии.
Трансляционные и доклинические исследования
- Позволяет сопоставить результаты исследований in vitro с фенотипами, характерными для болезни Альцгеймера и родственных ей расстройств.
- Обеспечивает непрерывность процесса от этапа открытия до доклинической валидации за счет моделирования специфического генетического фона пациентов.
- Поддерживает принятие решений о продвижении разработки с учетом рисков, предоставляя релевантные для человека данные о целостности ГЭБ и патологии.
- Способствует поиску трансляционных биомаркеров прогрессирования цереброваскулярных заболеваний.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Эта модель iBBB связывает этапы раннего поиска, идентификации ведущих соединений и доклинических исследований, предоставляя релевантную для человека систему для проверки гипотез и оценки соединений.
- Фундаментальная биология: позволяет проверять нулевую гипотезу о функционировании ГЭБ и механизмах развития заболеваний в контексте организма человека.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные показатели проницаемости соединений и накопления амилоида.
- Аналитика: позволяет измерять молекулярные и клеточные показатели для сравнения генетических факторов и условий окружающей среды.
- Трансляционные исследования: связывает результаты, полученные in vitro, с доклиническими моделями и данными пациентов для сопоставления биомаркеров.
- Корпоративное использование: предоставляет модульную, многоразовую платформу, адаптируемую к различным программам по изучению заболеваний ЦНС.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность терапевтических стратегий, направленных на гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), и снижает неопределенность в понимании механизмов действия.
- Операционная ценность: стандартизирует моделирование ГЭБ для обеспечения воспроизводимости и масштабируемости в научно-исследовательских группах.
- Стратегическая ценность: улучшает процесс принятия решений о целесообразности дальнейшей разработки (go/no-go) препаратов для ЦНС, предоставляя релевантные данные о барьере человека.
- Влияние на портфель: позволяет проводить приоритизацию программ по ЦНС с учетом рисков на основе валидированных взаимодействий с ГЭБ.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области дифференцировки стволовых клеток и сборки трехмерных (3D) тканей.
- Необходим доступ к передовой инфраструктуре для культивирования клеток и визуализации.
- Требуется стандартизация между исследовательскими группами для обеспечения воспроизводимости анализов и сопоставимости данных.
- Метод адаптивен к различным генетическим особенностям благодаря использованию иПСК, полученных от пациентов.
- Ограничен невозможностью систем in vitro полностью воспроизвести сложность мозга in vivo.
