Enhanced human Blood-Brain Barrier Chip udfører in vivo-lignende lægemiddel- og antistoftransport

Ligesom lufthavnssikkerhedsbarrierer, der enten fjerner autoriserede rejsende eller blokerer uautoriserede rejsende og deres bagage i at få adgang til centrale operationsområder, blod-hjerne-barrieren (BBB) ​​kontrollerer tæt transporten af ​​essentielle næringsstoffer og energimetabolitter ind i hjernen og afværger uønskede stoffer, der cirkulerer i blodbanen. Vigtigt, dets højt organiserede struktur af tynde blodkar og støtteceller er også den største hindring, der forhindrer livreddende medicin i at nå hjernen for effektivt at behandle kræft, neurodegeneration, og andre sygdomme i centralnervesystemet. Ved en række hjernesygdomme, BBB kan også nedbrydes lokalt, forårsager neurotoksiske stoffer, blodceller og patogener til at lække ind i hjernen og forårsage uoprettelig kaos.

For at studere BBB og medicintransport på tværs af det, forskere har for det meste stolet på dyremodeller såsom mus. Imidlertid, de præcise sammensætnings- og transportfunktioner af BBB'er i disse modeller kan afvige væsentligt fra dem hos menneskelige patienter, hvilket gør dem upålidelige til forudsigelse af lægemiddellevering og terapeutisk effektivitet. Også in vitro-modeller, der forsøger at genskabe den menneskelige BBB ved hjælp af primære hjernevævs-afledte celler, har hidtil ikke været i stand til at efterligne BBB's fysiske barriere, transportfunktioner, og lægemiddel- og antistoftransportaktiviteter tæt nok til at være nyttige som terapeutiske udviklingsværktøjer.

Nu, et hold ledet af Donald Ingber, M.D., Ph.D. på Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering har overvundet disse begrænsninger ved at udnytte sin mikrofluidiske Organs-on-Chips (Organ Chips) teknologi i kombination med en udviklingsinspireret hypoxi-efterlignende tilgang til at differentiere humane pluripotente stamceller (iPS) til hjernens mikrovaskulære endotel. celler (BMVEC'er). Den resulterende 'hypoxi-forstærkede BBB Chip' rekapitulerer cellulær organisation, tætte barrierefunktioner og transportevner hos den menneskelige BBB; og det tillader transport af lægemidler og terapeutiske antistoffer på en måde, der i højere grad efterligner transport over BBB in vivo end eksisterende in vitro-systemer. Deres undersøgelse er rapporteret i Naturkommunikation .

"Vores tilgang til modellering af lægemidler og antistoffer, der pendler hen over den menneskelige BBB in vitro med så høj og hidtil uset troskab, præsenterer et betydeligt fremskridt i forhold til eksisterende muligheder inden for dette enormt udfordrende forskningsområde, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Ingber. "Det imødekommer et kritisk behov i lægemiddeludviklingsprogrammer i hele farma- og biotekverdenen, som vi nu sigter mod at hjælpe med at overvinde med et dedikeret 'Blood-Brain Barrier Transport Program' på Wyss Institute ved hjælp af vores unikke talent. og ressourcer." Ingber er også Judah Folkman Professor i Vascular Biology ved HMS og Vascular Biology Program ved Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved SEAS.

BBB består af tynde kapillære blodkar dannet af BMVEC'er, multifunktionelle celler kendt som pericytter, der vikler sig rundt om ydersiden af ​​karrene, og stjerneformede astrocytter, som er ikke-neuronale hjerneceller, der også kommer i kontakt med blodkar med fodlignende processer. I nærværelse af pericytter og astrocytter, endotelceller kan generere den tæt forseglede karvægsbarriere, der er typisk for den menneskelige BBB.

Ingbers team differentierede først menneskelige iPS-celler til hjerne-endotelceller i kulturskålen ved hjælp af en metode, der tidligere var blevet udviklet af medforfatter Eric Shusta, Ph.D., Professor i kemi og biologisk teknik ved University of Wisconsin-Madison, men med den ekstra kraft af bioinspiration. "Fordi i embryoet, BBB dannes under iltfattige forhold (hypoksi), vi differentierede iPS-celler i længere tid i en atmosfære med kun 5 % i stedet for den normale iltkoncentration på 20 %, " sagde co-first forfatter Tae-Eun Park, Ph.D. "Som resultat, iPS-cellerne igangsatte et udviklingsprogram meget lig det i embryonet, producerer BMVEC'er, der udviste højere funktionalitet end BMVEC'er genereret under normale iltforhold." Park var en postdoktor på Ingbers hold og er nu assisterende professor ved Ulsan National Institute of Science and Technology i Republikken Korea.

Bygger på en tidligere menneskelig BBB-model, forskerne overførte derefter de hypoxi-inducerede humane BMVEC'er til en af ​​to parallelle kanaler i en mikrofluidisk Organ-on-Chip-enhed, der er delt af en porøs membran og kontinuerligt perfunderet med medium. Den anden kanal var befolket med en blanding af primære menneskelige hjernepericytter og astrocytter. Efter en ekstra dag med hypoxibehandling, den humane BBB-chip kunne holdes stabilt i mindst 14 dage ved normale iltkoncentrationer, hvilket er langt længere end tidligere in vitro humane BBB-modeller, som man tidligere har forsøgt.

Under forskydningsspændingen af ​​væskerne, der gennemstrømmer BBB-chippen, BMVEC'erne fortsætter med at danne et blodkar, og udvikle en tæt grænseflade med pericytter, der flugter med dem på den anden side af den porøse membran, samt med astrocytter, der forlænger processer mod dem gennem små åbninger i membranen. "Den distinkte morfologi af den konstruerede BBB er parallel med dannelsen af ​​en strammere barriere, der indeholder forhøjede antal selektive transport- og lægemiddel-shuttle-systemer sammenlignet med kontrol-BBB'er, som vi genererede uden hypoxi eller væskeforskydningsspænding, eller med endotel afledt af voksen hjerne i stedet for iPS-celler, " sagde Nur Mustafaoglu, Ph.D., en medførsteforfatter på studiet og postdoc, der arbejder på Ingbers team. "I øvrigt, vi kunne efterligne effekter af behandlingsstrategier hos patienter i klinikken. For eksempel, vi åbnede BBB reversibelt i kort tid ved at øge koncentrationen af ​​et mannitol opløst stof [osmolaritet] for at tillade passage af store lægemidler som anti-cancer antistoffet Cetuximab."

For at give yderligere bevis for, at den hypoxiforstærkede humane BBB Chip kan bruges som et effektivt værktøj til at studere lægemiddellevering til hjernen, holdet undersøgte en række transportmekanismer, der enten forhindrer lægemidler i at nå deres mål i hjernen ved at pumpe dem tilbage i blodstrømmen (udstrømning), eller det, i modsætning, tillade selektiv transport af næringsstoffer og lægemidler over BBB (transcytose).

"Da vi specifikt blokerede funktionen af ​​P-gp, en vigtig endoteludstrømningspumpe, vi kunne øge transporten af ​​anti-cancer-lægemidlet doxorubicin væsentligt fra den vaskulære kanal til hjernekanalen, meget lig det, der er blevet observeret hos menneskelige patienter, sagde Park. vores in vitro-system kunne bruges til at identificere nye tilgange til at reducere efflux og dermed lette medicintransport ind i hjernen i fremtiden."

På et andet sted, lægemiddeludviklere forsøger at udnytte 'receptormedieret transcytose' som et redskab til at transportere lægemiddelfyldte nanopartikler, større kemiske og proteinlægemidler, samt terapeutiske antistoffer på tværs af BBB. "Den hypoxi-forstærkede humane BBB-chip rekapitulerer funktionen af ​​kritiske transcytose-veje, såsom dem, der bruges af LRP-1 og transferrinreceptorer, der er ansvarlige for at optage vitale lipoproteiner og jern fra cirkulerende blod og frigive dem til hjernen på den anden side af BBB. Ved at udnytte disse receptorer ved hjælp af forskellige prækliniske strategier, vi kan trofast efterligne den tidligere demonstrerede shuttling af terapeutiske antistoffer, der målretter transferrinreceptorer in vivo, samtidig med at BBB's integritet bibeholdes in vitro, sagde Mustafaoglu.

Baseret på disse resultater, Wyss Institute har iværksat et 'Blood-Brain Barrier Transport Program'. "I første omgang, BBB Transport-programmet har til formål at opdage nye skyttelmål, der er beriget på BMVEC vaskulære overflade, ved hjælp af ny transkriptomik, proteomik, og iPS celle nærmer sig. Parallelt, vi udvikler fuldt humane antistof-shuttles rettet mod kendte shuttle-mål med forbedrede hjerne-målretningsevner, " sagde James Gorman, M.D., Ph.D., personalelederen for BBB Transport Program, der arbejder med Ingber. "Vi sigter mod at samarbejde med flere biofarmaceutiske partnere i et præ-konkurrerende forhold for at udvikle shuttles, der tilbyder enestående effektivitet og teknisk fleksibilitet til inkorporering i antistof- og proteinlægemidler, fordi det er så hårdt tiltrængt af patienterne og hele feltet”.

Forfatterne mener, at ud over undersøgelser af lægemiddeludvikling, den hypoxi-forstærkede humane BBB-chip kan også bruges til at modellere aspekter af hjernesygdomme, der påvirker BBB, såsom Alzheimers og Parkinsons sygdom, og til avancerede personaliserede medicintilgange ved at bruge patientafledte iPS-celler.