Summary
Bu protokol, beyin kan bariyerinin güvenilir ve verimli bir in vitro modelini tanımlar. Yöntem, fare serebral vasküler endotel hücreleri bEnd.3'ü kullanır ve transmembran elektrik direncini ölçer.
Abstract
Kan-beyin bariyeri (BBB), mikrovasküler endotel hücreleri, astrositler ve perisitlerden oluşan dinamik bir fizyolojik yapıdır. Zararlı maddelerin sınırlı geçişi, besin emilimi ve beyindeki metabolit klirensi arasındaki etkileşimi koordine ederek, BBB merkezi sinir sistemi homeostazının korunmasında esastır. BBB'nin in vitro modellerini oluşturmak, nörolojik bozuklukların patofizyolojisini araştırmak ve farmakolojik tedaviler oluşturmak için değerli bir araçtır. Bu çalışma, bEnd.3 hücrelerini 24 oyuklu bir plakanın üst odasına tohumlayarak in vitro tek katmanlı bir BBB hücre modeli oluşturmak için bir prosedürü açıklamaktadır. Hücre bariyeri fonksiyonunun bütünlüğünü değerlendirmek için, normal hücrelerin ve CoCl2 ile indüklenen hipoksik hücrelerin transmembran elektrik direncini gerçek zamanlı olarak kaydetmek için geleneksel epitel hücre voltmetresi kullanıldı. Yukarıdaki deneylerin, merkezi sinir sistemi hastalıklarının bozukluklarını tedavi etmek için in vitro BBB ve ilaç modellerinin oluşturulması için etkili fikirler sağlayacağını tahmin ediyoruz.
Introduction
BBB, vasküler endotel hücreleri, perisitler, astrositler, nöronlar ve diğer hücresel yapılardan oluşan kan dolaşımı ve sinir dokusu arasında benzersiz bir biyolojik arayüzdür1. Kan ve beyin arasındaki iyonların, kimyasalların ve hücrelerin akışı bu bariyer tarafından sıkı bir şekilde düzenlenir. Bu homeostaz, sinir dokularını toksinlere ve patojenlere karşı korurken, aynı zamanda beyin sinirlerinin uygun şekilde çalışmasını sağlar 2,3. BBB'nin bütünlüğünün korunması, nöronal disfonksiyon, ödem ve nöroinflamasyon gibi merkezi sinir sistemini etkileyen bozuklukların gelişmesini ve ilerlemesini etkili bir şekilde önleyebilir4. Bununla birlikte, BBB'nin benzersiz fizyolojik özellikleri, küçük moleküllü ilaçların% 98'inden fazlasının ve makromoleküler farmasötiklerin% 100'ünün merkezi sinir sistemine girmesini önler5. Bu nedenle, merkezi sinir sistemi için ilaçların geliştirilmesi sırasında ilaçların BBB yoluyla penetrasyonunun arttırılması, terapötik etkinliğin elde edilmesi için esastır 6,7. Substratların bilgisayar simülasyonu taraması, ilaç adaylarının BBB'yi geçme olasılığını önemli ölçüde artırmış olsa da, bilimsel araştırma ihtiyaçlarını karşılamak için hala güvenilir ve uygun fiyatlı in vitro/in vivo BBB modellerine ihtiyaç vardır8.
Yüksek verimli ilaç taraması için hızlı ve uygun fiyatlı bir teknik, in vitro model9'dur. İlaçların BBB fonksiyonu üzerindeki etkilerinin temel süreçlerine ve hastalığın gelişimi ve ilerlemesindeki rollerine ışık tutmak için bir dizi basitleştirilmiş in vitro BBB modeli oluşturulmuştur. Şu anda, yaygın in vitro BBB modelleri, vasküler endotel hücreleri ve astrositler, perisitler veya mikroglia13,14 tarafından oluşturulan tek katmanlı, ko-kültür, dinamik ve mikroakışkan modellerdir 10,11,12. Her ne kadar 3D hücre kültürleri BBB15'in fizyolojik yapısı ile daha uyumlu olsa da, BBB için bir ilaç tarama aracı olarak uygulamaları, karmaşık tasarımları ve ortalamanın altında tekrarlanabilirlikleri nedeniyle hala kısıtlanmaktadır. Buna karşılık, tek katmanlı in vitro model, BBB'yi araştırmak için en sık kullanılan modeldir ve belirli hücrelerde membran taşıyıcılarının ve sıkı bağlantı proteinlerinin ekspresyonunu belirlemek için uygulanabilir.
Transmembran elektrik direnci (TEER) ölçümü, direnç boyunca hücre katmanını değerlendirmek ve izlemek ve bariyerin hücre bütünlüğünü ve geçirgenliğini değerlendirmek için kullanılan bir tekniktir. Tek tabakanın her iki tarafındaki büyüme ortamına veya tampon çözeltisine aynı anda iki elektrot yerleştirerek, hücrenin kompakt tabakası16,17 boyunca alternatif akımı veya elektrik empedansını ölçmek mümkündür. İn vitro BBB modelinin uygun şekilde oluşturulup oluşturulmadığını belirlemek için, TEER ölçümü genellikle altın standart18 olarak kullanılacaktır. Öte yandan, BBB geçirgenliği üzerindeki ilaç etkisinin eğilimi, ilaç tutulumundan sonra hücre tabakasının elektrik direncindeki değişimin ölçülmesiyle doğru bir şekilde tahmin edilebilir19. Örneğin, Feng ve ark. katalpolün (rehmanniae'nin birincil aktif monomeri), BBB'deki sıkı bağlantı proteinlerinin lipopolisakkarit kaynaklı aşağı regülasyonunu etkili bir şekilde tersine çevirebileceğini ve fare beyni endotel hücre tabakasınınTEER değerini 20 yükseltebileceğini keşfetti.
Nöroinflamatuar yanıt genellikle BBB homeostaz dengesizliğinin ana nedenidir21. Nöroinflamatuar hasarı indüklemek için hipoksik tedavi, esas olarak fiziksel yöntemler ve kimyasal reaktif yöntemleri dahil olmak üzere kan-beyin bariyerini yok etmenin ana yöntemidir. İlki, hipoksik koşulları22 simüle etmek için hücre büyüme ortamındaki oksijen içeriğini değiştirmek için öncelikle üç gazlı bir inkübatör kullanırken, ikincisi, CoCl2 gibi deoksi reaktiflerinin hücre kültürü ortamına23 yapay olarak sokulmasıyla elde edilir. Fe2 + Co2 + ile ikame edilirse hücreler oksijensiz bir durumda kalacaktır 2 + heme'de. Katalitik grupta Co2+ yerine Fe2+ ikame edilirse, prolin hidroksilaz ve aspartat hidroksilaz aktivitesi inhibe edilecek ve hipoksi ile indüklenebilir faktör-1α (HIF-1α) birikimine neden olacaktır24. Kalıcı hipoksi altında, sitoplazmada HIF-1α'nın fosforilasyonu hücre ölümünü tetikler ve sonuçta vasküler geçirgenliği artıran vasküler endotelyal büyüme faktörünü aktive eder. Önceki çalışmalarda 25,26, hipoksinin BBB'nin geçirgenliğini artırmak için endotelyal sıkı bağlantı proteinlerinin ekspresyonunu önemli ölçüde azaltabileceği iyi gösterilmiştir. Bu çalışmada, basit bir BBB modeli oluşturmak için 24 oyuklu plakalara ekilen bEnd.3 hücrelerinin zaman-direnç eğrisi ölçülmüştür. Bu modeli kullanarak, BBB koruması için ilaçları taramak için kullanılabilecek bir hücre modeli oluşturmak için CoCl2 müdahalesinden sonra hücre TEER'sindeki değişiklikleri karakterize ettik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
NOT: Fare beyninden türetilen Endotel hücreleri.3 (bEnd.3), belirli ortam koşulları altında basit bir in vitro BBB modeli oluşturmak için 24 oyuklu bir plakanın odalarına aşılandı. Normal hücrelerin ve hipoksik hücrelerin TEER metresi ile ölçüldü (Şekil 1 ve Şekil 2).
1. Çözelti hazırlama
- FBS (% 10, v / v), 100 U / mL penisilin ve 10 mg / mL streptomisin içeren DMEM hücre kültürü ortamını hazırlayın (bkz.
- 100 μL DMSO çözeltisine 1.30 mg CoCl 2ekleyerek 100 mM CoCl2 stok çözeltisi hazırlayın.
NOT: Yukarıdaki tüm çözeltiler 4 °C koşulunda saklandı ve stok çözelti kullanımdan önce istenen konsantrasyona göre seyreltildi. - 38 mL çift damıtılmış suya 2 mL sodyum hipoklorit çözeltisi ekleyerek% 5 sodyum hipoklorit çözeltisi (h / h) hazırlayın.
2. Hücre kültürü ve hücre canlılığı
- 1 x 106 hücre/mL yoğunlukta DMEM ortamı içeren kültür kabında (100 mm) 1 mL bEnd.3 hücresi tohumlayın ve 37 °C'de %5CO2 nemlendirilmiş bir atmosferde kültür. Ortamı her 2 ila 3 günde bir değiştirin ve hücreleri haftada 2 kez alt kültürleyin.
- Bend.3 hücreleri% 80 birleşmeye kadar büyüdükten sonra, hücreleri 30 saniye boyunca% 0.25 tripsin ile sindirin.
- Bir hücre sayacı aracılığıyla DMEM ortamı kullanarak 7 x 104 hücre / mL yoğunlukta bEnd.3 hücrelerinin süspansiyonunu yapın. Daha sonra, 96 oyuklu bir plakada 100 μL bEnd.3 hücre süspansiyonu tohumlayın.
- Hücre yapışmasından sonra, hücreleri PBS ile temizleyin ve hücreleri 100 μL kültür ortamı veya ilaç içeren ortam (100 μM, 200 μM, 300 μM, 400 μM, 500 μM CoCl2) ile 24 saat boyunca kültürleyin. Kuyu plakasının içindeki ortamı çıkardıktan ve PBS ile temizledikten sonra, 100 μL CCK-8 çözeltisi ekleyin.
NOT: Kuyuda optik yoğunluk (OD) değerlerini etkileyecek kabarcıklar oluşturmayın. - 96 oyuklu plakaları 37 °C ortama koyun ve 1 saat inkübe edin. Bir mikroplaka okuyucu kullanarak 96 oyuklu plakaların absorbansını 450 nm'de ölçün.
NOT: Grup içi farklılıkları önlemek için, kuyu plakaları tespit edilmeden önce oda sıcaklığına soğutulmuştur. - Farklı CoClkonsantrasyonlarının neden olduğu hücre canlılığını hesaplayın 2 [ODİlaç - ODBoş] / [ODKontrolü-OD Boş] x% 100 formülüne göre. Bir sonraki deney için kontrol grubuna kıyasla hücre canlılığında azalmada önemli bir farkla CoCl2 konsantrasyonunu seçin.
3. Model montajı
- 24 oyuklu plakaların üst odasını PBS ile durulayın.
NOT: Hücreler, 24 oyuklu plakanın üst odasının dibinde büyüdü ve kaynaştı ve hücreler arasında sıkı bağlantılar yavaş yavaş bir bariyer rolü oynamak için oluştu. Bazı çalışmalarda kullanılan endotel hücreleri PET membranlar üzerinde bağımsız olarak tam bir bariyer oluşturamıyorsa, hücre aşılamasından önce membranların kollajen IV solüsyonu ile kaplanması gerekir. - Bir girdap karıştırıcı kullanarak 5 x 105 hücre /mL yoğunlukta bir süspansiyon yapmak için bEnd.3 hücrelerini DMEM ortamı ile karıştırın. Daha sonra, 24 oyuklu bir plakanın (0.33 cm2, 0.4 μm membran gözenek boyutu) üst odasındaki PET membran üzerine 200 μL bEnd.3 hücre süspansiyonu tohumlayın.
NOT: Bu protokolün pilot çalışması, deneyler için 5 ila 10 pasaj bEnd.3 hücresi kullanıldığında sonuçlarda hiçbir fark bulamadı. Başarılı modelleme olasılığını sağlamak için lütfen bu protokolün hücre sayısı aralığına bakın. - Üst ve alt odaların ozmotik basıncının stabilize olma eğiliminde olmasını sağlamak için plakanın alt odasına 1200 μL tam ortam ekleyin. Türüne bağlı olarak eklenen ortamın hacminde farklılıklar vardır; Üst ve alt bölmelerin sıvı seviyesinin aynı hizada olduğundan emin olun.
- Üst haznenin ve alt haznenin ortamını her gün sabit bir saatte değiştirin ve aynı anda direnç değerini izleyin.
- Ortamı değiştirirken, hücre tabakasının bütünlüğü yapay dokunuş veya aşırı hareket nedeniyle zarar görecektir. Yukarıdaki durumu önlemek için, eski ortamı negatif basınçlı bir pipetle bir taraftan yavaşça çıkarın ve sıvı değişimi sırasında duvar boyunca yavaşça yeni bir ortam ekleyin.
4. TEER Ölçümü
- Çalışmaya başlamadan önce direnci, %5 sodyum hipoklorit çözeltisini, %75 etanolü ve çift damıtılmış su çözeltisini ultra temiz bir masaya yerleştirin. Artık bakteri ve patojenleri ortadan kaldırmak için UV ışınlamasını 30 dakika boyunca açın.
- Elektrotları 3 s ila 5 s boyunca yavaşça çalkalayarak% 5 sodyum hipoklorit çözeltisine yerleştirin ve ardından 15 dakika boyunca% 75 etanole daldırın. Son olarak, kullanıma kadar PBS'ye veya çift damıtılmış su çözeltisine aktarın.
- Hücre direnç ölçerin arkasındaki anahtarı AÇIN, Tablo 1'deki parametrelere göre Plaka Seç'e tıklayın ve 24 Kuyulu Plaka'yı seçin.
- Operasyon ihtiyaçlarına göre uygun algılama sırasını seçin. Bu çalışmada A1 yöntemi seçilmiştir.
- Cihazı kalibre etmek için sağ fişe bir kΩ direnç takın. Kalibrasyon sonucu 1000 ± 5 Ω ise, cihazın doğruluğunun normal olduğunu düşünün.
- Kalibrasyon sonucu 1000 Ω değilse, OHMS'yi seçmek için ana arayüzde Mod Birimleri'ne tıklayın ve ardından cihazı yeniden kalibre etmek için ana ekranda Kalibre Et'e tıklayın.
- Sağ taraftaki kΩ direncini dışarı çekin ve ölçüm elektrodunu bir bağlantı kablosuyla değiştirin.
- Elektrotu, hücreleri dikey olarak tohumlamadan 24 oyuklu plakaya yerleştirin ve cihazın ana ekranında Boş İşleme'ye tıklayın. Tohumlanmış hücreler olmadan plaka direncinin arka plan değeri yaklaşık 134.4 Ω'dir.
- İki elektrotu, hücre tabakası aralarında olacak şekilde hücrelerle tohumlanmış plakanın üst ve alt odalarına yerleştirin ve ardından Pedala hafifçe basarak direnç değerini kaydedin.
- Elektrotun üst bölmedeki ve alt bölmenin altındaki hücrelere temas etmediğinden emin olun. Elektrotun çözelti içinde ıslatma süresinin direnç değeri üzerinde hiçbir etkisi yoktur ve sadece elektrotun doğru konumda olduğundan emin olmak gerekir.
- Denklemde olduğu gibi, elektrik direnç değerlerini (ohm) üst bölmenin alt alanı (cm2) ile çarparak TEER değerlerini (Ωcm2) elde edin:
TEER (Ωcm2) = Direnç (Ω) x Skesici uç (cm2) - TEER-Time'ın (gün olarak) bir çizgi grafiği çizin. Direnç değeri zamanla daha fazla artmadığında (günler içinde ölçülür), hücrenin bir bariyer oluşturduğunu düşünün.
NOTW: bEnd.3 hücrelerinin tek katmanlı BBB modeli, bEND.3 hücrelerinin bu çalışmadaki parametrelerle yaklaşık 6 gün boyunca kültürlenmesiyle başarılı bir şekilde oluşturulacaktır. bEnd.3 hücreli tek tabakalı modelin TEER'si 6 gün içinde 16.49 ± 2.12Ωcm2 ile 27.59 ± 1.50Ωcm2 arasında değişmiştir (n=8, ortalama ± SD).
5. Bariyer imhası ve istatistiksel analiz
- TEER - zaman eğrisine göre, bariyer fonksiyonlu kuyuları seçin ve bunları kontrol grubuna ve CoCl2 grubuna (n = 4) bölün.
- 300 μM CoCl2 (200 μL) içeren kültür ortamını ve kültür ortamını sırasıyla kontrol grubuna ve CoCl2 grubu üst odasına ekleyin.
- Adım 4'te açıklanan prosedürü kullanarak 37 ° C'de 12 saat ve 24 saat inkübasyonda kontrol ve CoCl2 gruplarının direnç değerlerini tespit edin.
- 300 μM CoCl 2 ile veya 300 μM CoCl2 olmadan kültürlenen hücrelerin bariyerinin TEER değerlerinin eğilimini haritalamak için ticari yazılım kullanın.
- CoCl2 ile tedavi edilen hücreler ve normal hücreler arasındaki direnç değerlerindeki farkı analiz etmek için istatistiksel analiz yazılımı kullanın (n = 4, *p < 0.05, ** p < 0.01, ***p < 0.001).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu protokol, transendotelyal direnç ölçerde ayarlanan parametrelere göre hücrelerin direnç değerlerindeki değişikliklerin kaydedilmesine izin verdi. Farklı konsantrasyonlarda CoCl2 ile muamele edilen bEnd.3 hücrelerinin (canlı hücre sayısı) canlılığı CCK-8 testi ile tarandı. CoCl2 tarafından üretilen daha büyük hücre hasarı, daha düşük hücre canlılığı ile temsil edildi. 300 μMCoCl2'nin in vitro olarak önemli ölçüde sitotoksik olduğunu bulduk ve bu konsantrasyon sonraki deneyler için kullanıldı (Şekil 3A). bEnd.3'teki büyüme direnci değişikliklerini izleyerek, hücre TEER değerlerinin 5. günde stabilize olmaya başladığını bulduk. 6. günde plakanın üst odasına 300 μM CoCl2 ilavesiyle indüklenen hipoksik hasar, hem 12 saat hem de 24 saat zaman noktalarında kontrole kıyasla TEER değerlerinde önemli bir düşüşe neden oldu (Şekil 3B). Hücre bariyerinin işlevi, TEER değeri ile dolaylı olarak değerlendirilebilir ve TEER değerindeki bir düşüş, hücre bariyerinin bozulmasını gösterir. 300 μM CoCl2 grubunun TEER değeri, 24 saat inkübasyondan sonra kontrol grubuna göre düştü (Şekil 3C). Yukarıda bahsedilen araştırma, BBB in vitro modelindeki hasarın CoCl2'nin neden olduğu hipoksik bir ortamdan kaynaklanabileceğini göstermiştir.
Şekil 1: TEER'i ölçmek için aletler ve aksesuarlar. (A-B) TEER sayacının çalışma ana arayüzü. (C-D) 24 oyuklu bir plaka. (E) Elektrot temizliği ve dezenfeksiyonu için gerekli çözelti. (F) TEER sayacının kalibrasyonu için standart direnç gereklidir. (G-H) Elektrot ve lokal büyütme. (I) Veri toplamak için ayak pedalı kullanıldı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Bir transendotelyal direnç ölçer kullanılarak kaydedilen bEnd.3 hücrelerinin transmembran direncinin akış şemaları. (A) Hücre kültürü. (B) bEnd.3 hücreleri, plakaların üst odasına ekildi ve büyümelerini ve farklılaşmalarını desteklemek için kuyu plakaları ortamla doldurularak yoğun bir hücre bariyeri oluşturuldu. (C) Hücrelerin bariyer fonksiyonel bütünlüğü, TEER izlenerek değerlendirildi. (D) CoCl2 , bozulmuş hücre bariyeri fonksiyonunu indüklemek için hipoksik ortamı taklit etmek için kullanıldı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Salidrosid, CoCl2 kaynaklı hipoksik hasarı hafifleterek bEnd.3 hücrelerinin bariyer fonksiyonunun bütünlüğünü korur. (A) CoCl2'nin (100 μM, 200 μM, 300 μM, 400 μM, 500 μM) bEnd.3 hücrelerinin canlılığı üzerindeki etkisi (n = 6, CoCl2 grubu vs kontrol grubu ***p<0.001, ortalama ± SD). (B) Normal ortam veya 300 μM CoCl2 ile muamele edilen bEnd.3 hücrelerinin TEER değerlerindeki değişikliklerin grafiği (n = 4, Gün 1 vs Gün 2-6: ##p<0.01, ###p<0.001, Gün 6 vs Gün 6.5 - 7: **p<0.01, ortalama ± SD). (C) 24 saatlik hipoksik hasardan sonra hücrelerin TEER değişiklikleri (n = 4, CoCl2 grubu vs kontrol grubu ***p<0.001, ortalama ± SD). Tek yönlü varyans analizi (ANOVA) ve Tukey testi yapıldı ve p<0.05 anlamlı kabul edildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Parametre | Seçenek |
| Plaka seç | 24-Kuyu |
| Algılama sıralaması | A1 Serisi |
| Mod Birimleri | Ω |
| Standart direnç | 1 kΩ |
Tablo 1: TEER ölçüm cihazının parametrelerini ayarlayın. Hücre direncinin tespiti için cihazın parametre ayarları ve program seçimi gereklidir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En gelişmiş vücut organlarından biri olan beyin, hafıza, biliş, işitme, koku alma ve hareket dahil olmak üzere çok çeşitli karmaşık fizyolojik süreçleri kontrol eder27. Beyin aynı zamanda insan vücudunun en karmaşık ve hastalıklı organlarından biridir. Birçok merkezi sinir sistemi bozukluğunun ortaya çıkması, hava kirliliği, düzensiz beslenme alışkanlıkları ve diğer faktörler gibi faktörlere bağlı olarak yıldan yıla artan bir eğilim göstermektedir 27,28,29. İnme, epilepsi ve Alzheimer hastalığı (AD) gibi bazı merkezi sinir sistemi hastalıklarının başlangıcı ve ilerlemesinin BBB30,31,32'nin büyümesi ile yakından ilişkili olması ilginçtir. Beyin fonksiyon bozukluğu olan bozuklukların çoğunun tedavisi için temel kavram, BBB fonksiyonel homeostazını sürdürmek için yeni tedavilerin veya ilaçların oluşturulması olabilir. Ne yazık ki, çoğu ilaç, BBB'nin hidrofobikliği ve benzersiz çözünen taşıma yöntemi14,33 nedeniyle hayati işlevlerini yerine getirmek için beyin parankimine giremez. Bir ilacın başarılı olma olasılığını artırmak için, yüksek verimli moleküler tarama için kullanılabilecek yeni BBB modelleri oluşturmak iyi bir stratejidir.
Nörovasküler ünitenin karmaşık yapısı nedeniyle, in vivo model teorik olarak BBB yapısının daha yüksek bir modelleme derecesine sahiptir. Bununla birlikte, hayvanlar ve insanlar arasındaki homolojinin kısıtlanması nedeniyle, BBB taşıyıcılarındaki varyanslar, ilaç taramasının beklenen sonucu vermemesine neden olabilir34. Aksine, in vitro modeller ucuz olma, hızlı bir tespit döngüsüne sahip olma ve nörolojik hastalık araştırmalarının hedeflerine daha iyi hizmet edebilecek yüksek verimli tarama için kullanılabilme avantajları sunar. Bilim ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte, BBB'nin fizyolojik yapısına çok benzeyen daha fazla in vitro model oluşturulmakta ve geliştirilmektedir. Statik ve dinamik platformlar için simülasyon teknikleri arasındaki ayrımın yanı sıra, kullanılan hücre tipleri ve sayılarında da önemli farklılıklar vardır35. Üst bölmenin altındaki endotel hücrelerinin tohumlanması, en basit BBB hücre modelidir ve taşıma kinetiği ve hücre sinyal yolu36 için mükemmel bir yaklaşımdır. Ko-kültür modelleri, tek katmanlı hücrelerin temeli üzerine perisitler veya glial hücrelerle etkileşimler ekler, ancak bu modeller sıklıkla doğru hücre konumlandırma ve yönlendirilmiş kontrol elde edememe nedeniyle kısıtlanır12. 2D ve 3D yapıya sahip dinamik model, şu anda BBB'nin dinamik mikro ortamının in vitro olarak en doğru temsilidir; Bununla birlikte, bu modelin geliştirilmesinin kapsamlı bir ön tasarım ve doğrulama çabası içerdiğini belirtmek önemlidir. Araştırmanın gerçek ihtiyaçlarına uygun olarak uygun BBB modelinin seçilmesi daha doğru deneysel sonuçlar elde edilmesini sağlayabilir.
BBB in vitro modelinin fonksiyonel bütünlüğünün değerlendirme yöntemleri genellikle bir geçirgenlik testi ve transmembran direnç değeri testini içerir. İlki, esas olarak floresein etiketli makromoleküler maddelerin geçirgenliğinin değerlendirilmesiyle gerçekleştirilir. Yöntem basit ve kesindir, ancak floresan madde geçtikten sonra hücre tabakasının yapısı değişir ve bu da düşük numune kullanımına neden olur37. Bu eksiklik, TEER tespit yönteminin geliştirilmesiyle etkili bir şekilde telafi edilmektedir. İki elektrot, hücre katmanının her iki tarafına yerleştirildi ve bariyer fonksiyonunun bütünlüğü, hücre bariyeri38 boyunca iyon akımı direnci ölçülerek değerlendirildi. Toplam direnç, kültür membranı direnci ve orta direnç gibi çevresel dirençten çıkarıldı ve nihai BBB direncini (TEER, Ωcm2) elde etmek için kültür membranının alanı ile çarpıldı 39. TEER değerlerinin daha yüksek bir değeri, hücreler arasında daha yüksek derecede sıkı bağlantıları temsil eder. İşlemi ölçen TEER basit ve noninvazivdir, hücre bariyeri fonksiyonu bir kez direnç oluştuğunda sabit bir aralıkta olacaktır. Bu özellik, operatörün standart çalışma koşullarında farklı cihazlar kullanırken bile benzer TEER değerlerini korumasını sağlar. Sadece sıcaklık ve elektrot yerleştirmenin yerleşimi operatörün ekstra dikkat göstermesini gerektirir. Sıcaklığın artması ve elektrotun tabana değmesi hücre direncini azaltacaktır.
Bu çalışmada, plakanın üst odasındaki bEnd.3 hücrelerinin zamansal direnci değerlendirilerek in vitro basit bir BBB tek katmanlı hücre modeli başarıyla oluşturulmuştur. CoCl2tarafından indüklenen hipoksik ortam, endotel hücreleri arasındaki sıkı bağlantıyı bozdu ve bu da TEER'i normal hücrelere kıyasla önemli ölçüde azalttı. Bu deneye göre standart süreçte açıklanan protokole göre bir in vitro BBB modeli oluşturmak yüksek başarı oranına ve tekrarlanabilirliğe sahiptir. Bu deney farklı kuyu plakası spesifikasyonları ile yürütülürse ve plakaların üst ve alt odalarındaki sıvı seviyeleri aynı hizadaysa, yalnızca tohumlama yoğunluğunun değiştirilmesi gerekir. Bununla birlikte, TEER değeri, elektrotun yanlış konumundan ve elektrik alanın hücre katmanı12 boyunca heterojenliğinden bir şekilde etkilenecektir. Çoğu durumda, TEER, çeşitli BBB modellerinin çalışma gereksinimlerine bağlı olarak immünofloresan ve geçirgenlik tespiti ile aynı anda doğrulanacaktır. Bu hücre modeli, hipoksinin neden olduğu BBB hasarını sürdürebilecek ilaçları taramak için gelecekte geliştirilecektir. Sonuç olarak, TEER tespit teknolojisinin kullanımı, nörolojik hastalıklar için ilaçların ve tedavi stratejilerinin oluşturulması üzerinde muhtemelen önemli bir etkiye sahip olacaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı'nın (82274207 ve 82104533), Ningxia'nın Temel Araştırma ve Geliştirme Programı'nın (2023BEG02012) ve TCM Chengdu Üniversitesi'nin (XKTD2022013) Xinglin Scholar Araştırma Teşvik Projesi'nin mali desteğini takdir ediyoruz.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 24-well transwell plate | Corning (Corning 3470, 0.33 cm2, 0.4 µm) | 10522023 | |
| 75 % ethanol | ChengDu Chron Chemicals Co,.Ltd | 2023052901 | |
| 96-well plate | Guangzhou Jet Bio-Filtration Co., Ltd | 220412-078-B | |
| bEnd.3 cells | Hunan Fenghui Biotechnology Co., Ltd | CL0049 | |
| Cell counting kit-8 (CCK-8) | Boster Biological Technology Co., Ltd | BG0025 | |
| Cell culture dish (100mm) | Zhejiang Sorfa Life Science Research Co., Ltd | 1192022 | |
| Cobalt Chloride (CoCl2) | Sigma | 15862 | |
| DMSO | Boster Biological Technology Co., Ltd | PYG0040 | |
| Dulbecco's modified eagle medium (1x) | Gibco ThermoFisher Scientific | 8121587 | |
| Fetal bovine serum | Gibco ThermoFisher Scientific | 2166090RP | |
| GraphPad Prism software | GraphPad Software | 9.0.0(121) | |
| Matrigel (Contains collagen IV) | MedChemexpress | HY-K6002 | |
| Microplate reader | Molecular Devices | SpectraMax iD5 | |
| OriginPro 8 software | OriginLab Corporation | v8.0724(B724) | |
| Penicillin-Streptomycin (100x) | Boster Biological Technology Co., Ltd | 17C18B16 | |
| Phosphate buffered saline (PBS, 1x) | Gibco ThermoFisher Scientific | 8120485 | |
| Sodium hypochlorite | ChengDu Chron Chemicals Co,.Ltd | 2022091501 | |
| Transmembrane resistance meter | World Precision Instruments LLC | VOM3 (verison 1.6) |
References
- Kim, Y., et al. CLEC14A deficiency exacerbates neuronal loss by increasing blood-brain barrier permeability and inflammation. J Neuroinflammation. 17 (1), 48 (2020).
- Bagchi, S., et al. In-vitro blood-brain barrier models for drug screening and permeation studies: an overview. Drug Des Devel Ther. 13, 3591-3605 (2019).
- Daneman, R., Prat, A.
- Profaci, C. P., Munji, R. N., Pulido, R. S., Daneman, R. The blood-brain barrier in health and disease: Important unanswered questions. J Exp Med. 217 (4), 20190062 (2020).
- Pardridge, W. M.
- Eigenmann, D. E., et al. Comparative study of four immortalized human brain capillary endothelial cell lines, hCMEC/D3, hBMEC, TY10, and BB19, and optimization of culture conditions, for an in vitro blood-brain barrier model for drug permeability studies. Fluids Barriers CNS. 10 (1), 33 (2013).
- Gajdács, M. The concept of an ideal antibiotic: Implications for drug design. Molecule. 24 (5), 892 (2019).
- Stanimirovic, D. B., Bani-Yaghoub, M., Perkins, M., Haqqani, A. S. Blood-brain barrier models: in vitro to in vivo translation in preclinical development of CNS-targeting biotherapeutics. Expert Opin Drug Discov. 10 (2), 141-155 (2015).
- Helms, H. C., et al. In vitro models of the blood-brain barrier: An overview of commonly used brain endothelial cell culture models and guidelines for their use. J Cereb Blood Flow Metab. 36 (5), 862-890 (2016).
- Özyurt, M. G., Bayir, E., DoĞan, Ş, ÖztÜrk, Ş, Şendemİr, A. Coculture model of blood-brain barrier on electrospun nanofibers. Turk J Biol. 44 (4), 121-132 (2020).
- Kim, W., et al. Functional validation of the simplified in vitro 3D Co-culture based BBB model. Biochem Biophys Res Commun. 625, 128-133 (2022).
- Aazmi, A., et al.
- Burkhart, A., et al. Transfection of brain capillary endothelial cells in primary culture with defined blood-brain barrier properties. Fluids Barriers CNS. 12, 19 (2015).
- Campisi, M., et al. 3D self-organized microvascular model of the human blood-brain barrier with endothelial cells, pericytes and astrocytes. Biomaterials. 180, 117-129 (2018).
- Peng, Y., et al. Neuroinflammatory in vitro cell culture models and the potential applications for neurological disorders. Front Pharmacol. 12, 671734 (2021).
- Secker, P. F., Schlichenmaier, N., Beilmann, M., Deschl, U., Dietrich, D. R. Functional transepithelial transport measurements to detect nephrotoxicity in vitro using the RPTEC/TERT1 cell line. Arch Toxicol. 93 (7), 1965-1978 (2019).
- Nazari, H., et al. Advances in TEER measurements of biological barriers in microphysiological systems. Biosens Bioelectron. 234, 115355 (2023).
- Nicolas, A., et al. High throughput transepithelial electrical resistance (TEER) measurements on perfused membrane-free epithelia. Lab Chip. 21 (9), 1676-1685 (2021).
- Yang, Z., et al. Autophagy alleviates hypoxia-induced blood-brain barrier injury via regulation of CLDN5 (claudin 5). Autophagy. 17 (10), 3048-3067 (2021).
- Feng, S., et al. RhoA/ROCK-2 pathway inhibition and tight junction protein upregulation by catalpol suppresses lipopolysaccaride-induced disruption of blood-brain barrier permeability. Molecules. 23 (9), (2018).
- Sulhan, S., Lyon, K. A., Shapiro, L. A., Huang, J. H. Neuroinflammation and blood-brain barrier disruption following traumatic brain injury: Pathophysiology and potential therapeutic targets. J Neurosci Res. 98 (1), 19-28 (2020).
- Liu, B., et al. Notoginsenoside R1 intervenes degradation and redistribution of tight junctions to ameliorate blood-brain barrier permeability by Caveolin-1/MMP2/9 pathway after acute ischemic stroke. Phytomedicine. 90, 153660 (2021).
- Hou, Y., et al. Salidroside intensifies mitochondrial function of CoCl2-damaged HT22 cells by stimulating PI3K-AKT-MAPK signaling pathway. Phytomedicine. 109, 154568 (2023).
- Muñoz-Sánchez, J., Chánez-Cárdenas, M. E. The use of cobalt chloride as a chemical hypoxia model. J Appl Toxicol. 39 (4), 556-570 (2019).
- Jiang, S., et al. Salidroside attenuates high altitude hypobaric hypoxia-induced brain injury in mice via inhibiting NF-κB/NLRP3 pathway. Eur J Pharmacol. 925, 175015 (2022).
- Xie, N., et al. Rhodiola crenulate alleviates hypobaric hypoxia-induced brain injury via adjusting NF-κB/NLRP3-mediated inflammation. Phytomedicine. 103, 154240 (2022).
- Thiebaut de Schotten, M., Forkel, S. J. The emergent properties of the connected brain. Science. 378 (6619), 505-510 (2022).
- Tu, W. J., et al. Estimated burden of stroke in China in 2020. JAMA Netw Open. 6 (3), 231455 (2023).
- Alzheimers Dement. Alzheimer's disease facts and figures. Alzheimers Dement. 17 (3), 327-406 (2021).
- Wang, R., et al. Neutrophil extracellular traps promote tPA-induced brain hemorrhage via cGAS in mice with stroke. Blood. 138 (1), 91-103 (2021).
- Liu, X. X., et al. Endothelial Cdk5 deficit leads to the development of spontaneous epilepsy through CXCL1/CXCR2-mediated reactive astrogliosis. J Exp Med. 217 (1), 20180992 (2020).
- Chen, X., et al. Modeling Sporadic Alzheimer's Disease in Human Brain Organoids under Serum Exposure. Adv Sci (Weinh). 8 (18), 2101462 (2021).
- Qi, D., Lin, H., Hu, B., Wei, Y. A review on in vitro model of the blood-brain barrier (BBB) based on hCMEC/D3 cells. J Control Release. 358, 78-97 (2023).
- Artus, C., et al. The Wnt/planar cell polarity signaling pathway contributes to the integrity of tight junctions in brain endothelial cells. J Cereb Blood Flow Metab. 34 (3), 433-440 (2014).
- Sivandzade, F., Cucullo, L. In-vitro blood-brain barrier modeling: A review of modern and fast-advancing technologies. J Cereb Blood Flow Metab. 38 (10), 1667-1681 (2018).
- Galla, H. J. Monocultures of primary porcine brain capillary endothelial cells: Still a functional in vitro model for the blood-brain-barrier. J Control Release. 285, 172-177 (2018).
- Srinivasan, B., Kolli, A. R. Transepithelial/transendothelial electrical resistance (TEER) to measure the integrity of blood-brain barrier. Blood-Brain Barrier. 142, 99-114 (2019).
- Liang, Y., Yoon, J. Y. In situ sensors for blood-brain barrier (BBB) on a chip. Sens Actuators Rep. 3, 100031 (2021).
- Ozgür, B., Helms, H. C. C., Tornabene, E., Brodin, B. Hypoxia increases expression of selected blood-brain barrier transporters GLUT-1, P-gp, SLC7A5 and TFRC, while maintaining barrier integrity, in brain capillary endothelial monolayers. Fluids Barriers CNS. 19 (1), (2022).
