Stworzono pierwszy ludzki mini-mózg z funkcjonalną barierą krew-mózg

Nowe badania przeprowadzone przez zespół pod kierownictwem ekspertów z Cincinnati Children's Hospital doprowadziły do stworzenia pierwszego na świecie ludzkiego miniaturowego mózgu z w pełni funkcjonalną barierą krew-mózg (BBB).

To przełomowe odkrycie, opublikowane w czasopiśmie Cell Stem Cell, obiecuje przyspieszyć zrozumienie i udoskonalić metody leczenia szerokiego spektrum chorób mózgu, w tym udaru, chorób naczyniowych mózgu, raka mózgu, choroby Alzheimera, choroby Huntingtona, choroby Parkinsona i innych chorób neurodegeneracyjnych.

„Brak autentycznego ludzkiego modelu BBB stanowił poważną przeszkodę w badaniu chorób neurologicznych” – powiedział główny autor badania, dr Ziyuan Guo.

„Nasze przełomowe odkrycie obejmuje generowanie ludzkich organoidów BBB z ludzkich pluripotentnych komórek macierzystych, naśladując ludzki rozwój naczyniowo-nerwowy, aby stworzyć dokładną reprezentację bariery w rosnącej, funkcjonującej tkance mózgowej. Jest to ważny postęp, ponieważ obecnie używane przez nas modele zwierzęce nie odzwierciedlają dokładnie rozwoju ludzkiego mózgu i funkcjonalności BBB”.

Czym jest bariera krew-mózg?

W przeciwieństwie do reszty naszego ciała, naczynia krwionośne w mózgu mają dodatkową warstwę ściśle upakowanych komórek, które znacznie ograniczają wielkość cząsteczek, jakie mogą przedostać się z krwiobiegu do ośrodkowego układu nerwowego (OUN).

Dobrze działająca bariera utrzymuje mózg w zdrowiu, zapobiegając przedostawaniu się szkodliwych substancji, a jednocześnie umożliwiając dotarcie niezbędnych składników odżywczych do mózgu. Jednak ta sama bariera zapobiega również przedostawaniu się wielu potencjalnie korzystnych leków do mózgu. Ponadto, kilka zaburzeń neurologicznych jest powodowanych lub pogarszanych, gdy BBB nie tworzy się prawidłowo lub zaczyna się rozpadać.

Istotne różnice między mózgiem człowieka i zwierzęcia sprawiły, że wiele obiecujących leków opracowanych z wykorzystaniem modeli zwierzęcych nie spełniało oczekiwań, gdy testowano je na ludziach.

„Teraz, dzięki bioinżynierii komórek macierzystych, opracowaliśmy innowacyjną platformę opartą na ludzkich komórkach macierzystych, która pozwala nam badać złożone mechanizmy rządzące funkcją i dysfunkcją BBB. Daje to bezprecedensowe możliwości odkrywania leków i interwencji terapeutycznych” — mówi Guo.

Pokonanie długotrwałego problemu

Zespoły badawcze na całym świecie ścigają się, aby opracować organoidy mózgowe — maleńkie, rosnące struktury 3D, które naśladują wczesne etapy formowania się mózgu. W przeciwieństwie do komórek hodowanych w płaskim naczyniu laboratoryjnym, komórki organoidowe są ze sobą połączone. Samodzielnie organizują się w kuliste kształty i „rozmawiają” ze sobą, tak jak robią to komórki ludzkie podczas rozwoju embrionalnego.

Cincinnati Children's jest liderem w opracowywaniu innych typów organoidów, w tym pierwszych na świecie funkcjonalnych organoidów jelitowych, żołądkowych i przełykowych. Jednak do tej pory żadnemu ośrodkowi badawczemu nie udało się stworzyć organoidu mózgowego zawierającego specjalną warstwę barierową znajdującą się w naczyniach krwionośnych ludzkiego mózgu.

Nazywamy je nowymi modelami „assembloidami BBB”

Zespół badawczy nazwał swój nowy model „assembloidami BBB”. Nazwa odzwierciedla osiągnięcie, które umożliwiło ten przełom. Te assembloidy łączą dwa różne typy organoidów: organoidy mózgowe, które replikują tkankę ludzkiego mózgu, i organoidy naczyń krwionośnych, które naśladują struktury naczyniowe.

Proces łączenia rozpoczął się od organoidów mózgowych o średnicy 3-4 milimetrów i organoidów naczyń krwionośnych o średnicy około 1 milimetra. W ciągu około miesiąca te oddzielne struktury połączyły się w jedną kulę o średnicy nieco ponad 4 milimetry (około 1/8 cala, czyli mniej więcej wielkości ziarna sezamu).

Opis obrazu: Proces łączenia dwóch typów organoidów w celu stworzenia ludzkiego organoidu mózgowego, który obejmuje barierę krew-mózg. Źródło: Cincinnati Children's and Cell Stem Cell.

Te zintegrowane organoidy odtwarzają wiele złożonych interakcji naczyniowo-nerwowych obserwowanych w ludzkim mózgu, ale nie są kompletnymi modelami mózgu. Na przykład tkanka nie zawiera komórek odpornościowych i nie ma połączeń z resztą układu nerwowego ciała.

Zespoły badawcze Cincinnati Children's poczyniły inne postępy w łączeniu i nakładaniu na siebie organoidów z różnych typów komórek, aby tworzyć bardziej złożone „organoidy nowej generacji”. Postępy te pomogły w opracowaniu nowych prac nad tworzeniem organoidów mózgowych.

Co ważne, zespoły BBB można wyhodować z neurotypowych ludzkich komórek macierzystych lub komórek macierzystych pochodzących od osób cierpiących na pewne choroby mózgu, odzwierciedlając w ten sposób warianty genów i inne schorzenia, które mogą prowadzić do upośledzenia funkcji bariery krew-mózg.

Wstępny dowód koncepcji

Aby zademonstrować potencjalną użyteczność nowych assembloidów, zespół badawczy wykorzystał linię komórek macierzystych pobranych od pacjentów w celu stworzenia assembloidów, które dokładnie odtwarzały kluczowe cechy rzadkiej choroby mózgu zwanej malformacją jamistą mózgu.

Ta choroba genetyczna, charakteryzująca się załamaniem integralności bariery krew-mózg, powoduje powstawanie skupisk nieprawidłowych naczyń krwionośnych w mózgu, które często przypominają wyglądem maliny. Choroba ta znacznie zwiększa ryzyko udaru.

„Nasz model dokładnie odzwierciedlił fenotyp choroby, rzucając nowe światło na patologię molekularną i komórkową chorób naczyniowych mózgu” – mówi Guo.

Potencjalne zastosowania

Współautorzy widzą szereg potencjalnych zastosowań zespołów BBB:

• Spersonalizowane badania przesiewowe leków: Zestawy bariery krew-mózg pochodzące od pacjentów mogą służyć jako awatary, co pozwoli na dostosowanie terapii do pacjentów na podstawie ich unikalnych profili genetycznych i molekularnych.
• Modelowanie chorób: W przypadku szeregu zaburzeń naczyniowo-nerwowych, w tym rzadkich i genetycznie złożonych schorzeń, brakuje dobrych systemów modelowych do badań. Sukces w tworzeniu zespołów BBB mógłby przyspieszyć rozwój modeli tkanki ludzkiego mózgu dla szerszego zakresu schorzeń.
• Odkrywanie leków z dużą przepustowością: Zwiększenie skali produkcji assembloidów może umożliwić dokładniejszą i szybszą analizę tego, czy potencjalne leki działające na mózg mogą skutecznie przekraczać barierę krew-mózg.
• Badania toksyczności środowiskowej: Zestawy BBB, często bazujące na modelach zwierzęcych, mogą pomóc w ocenie toksycznego wpływu zanieczyszczeń środowiskowych, produktów farmaceutycznych i innych związków chemicznych.
• Rozwój immunoterapii: Dzięki badaniu roli bariery krew-mózg w chorobach neurozapalnych i neurodegeneracyjnych, nowe zespoły mogą wspomagać dostarczanie terapii immunologicznych do mózgu.
• Bioinżynieria i badania nad biomateriałami: Inżynierowie biomedyczni i naukowcy zajmujący się materiałami mogą wykorzystać dostępność laboratoryjnego modelu BBB do testowania nowych biomateriałów, nośników leków i strategii inżynierii tkankowej.

„Ogólnie rzecz biorąc, zespoły BBB stanowią rewolucyjną technologię o szerokim zastosowaniu w neuronauce, odkrywaniu leków i medycynie spersonalizowanej” – mówi Guo.