Den menneskelige hjerne har en omhyggelig grænseflade med blodbanen nu på en præcisionschip

En omhyggelig gatekeeper står mellem hjernen og dens kredsløb for at lukke det gode ind og holde det onde ude, men denne portør, kaldet blod-hjerne-barrieren, blokerer også forsøgsmedicin til behandling af sygdomme som Alzheimers eller kræft i at komme ind i hjernen.

Nu har et hold ledet af forskere ved Georgia Institute of Technology udviklet en måde at studere barrieren nærmere med den hensigt at hjælpe lægemiddeludviklere med at gøre det samme. I en ny undersøgelse, forskerne dyrkede den menneskelige blod-hjerne-barriere på en chip, genskabe sin fysiologi mere realistisk end forgænger-chips.

Den nye chip udtænkte et sundt miljø for barrierens centrale komponent, en hjernecelle kaldet astrocyt, som ikke er en neuron, men som fungerer som neuronernes forbedere med kredsløbssystemet. Astrocytter interagerer i menneskelige hjerner med celler i vaskulaturen kaldet endotelceller for at samarbejde med dem som blod-hjerne-barrieren.

Men astrocytter er en særlig kræsen partner, hvilket gør dem til en stor del af gatekeeper-systemet, men også udfordrende at dyrke på en fysiologisk præcis måde. Den nye chip tog højde for astrocytters følsomhed ved at dyrke i 3-D i stedet for på en flad måde, eller 2-D.

3D-rummet tillod astrocytter at handle mere naturligt, og dette forbedrede hele barrieremodellen ved også at tillade dyrkede endotelceller at fungere bedre. Den nye chip præsenterede forskerne for flere sunde blod-hjerne-barrierefunktioner at observere end i tidligere barrieremodeller.

'Astro' i astrocyt

"Du skal være i stand til tæt at efterligne et væv på en chip i en sund status og i homeostase. Hvis vi ikke kan modellere den sunde tilstand, vi kan heller ikke rigtig modellere sygdom, fordi vi ikke har nogen nøjagtig kontrol at måle det mod, " sagde YongTae Kim, en lektor ved Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering og undersøgelsens hovedefterforsker.

I den nye chip, astrocyterne så endda mere naturlige ud i 3D-rummet, udfolder den stjernelignende form, der giver dem deres "astro" navn. I 2-D kulturer, derimod astrocytter lignede spejlæg med frynser. Med denne 3D-indstilling, chippen har tilføjet muligheder for pålidelig forskning af den menneskelige blod-hjerne-barriere, hvor alternativerne i øjeblikket er få.

"Ingen dyremodel kommer tæt nok på den indviklede funktion af den menneskelige blod-hjerne-barriere. Og vi har brug for bedre menneskelige modeller, fordi eksperimentelle lægemidler, der med succes er kommet ind i dyrehjerner, har svigtet ved den menneskelige barriere, " sagde Kim.

Holdet offentliggjorde sine resultater den 10. januar, 2020, i journalen Naturkommunikation . Forskningen blev finansieret af National Institutes of Health. Kim har grundlagt en virksomhed med planer om at masseproducere den nye chip i fremtiden til brug i akademisk og potentielt farmaceutisk forskning.

Kræsen, bossy astrocytter

Hjernen er den eneste del af kroppen udstyret med astrocytter, som regulerer næringsoptagelse og affaldsfjernelse i sig selv, unik måde.

"På hjernens anmodning, astrocytter samarbejder med vaskulaturen i realtid, hvad hjernen har brug for og åbner sine porte for kun at lukke den smule vand og næringsstoffer ind. Astrocytter går for at få lige, hvad hjernen har brug for og slipper ikke meget andet ind, " sagde Kim.

Astrocytter danner en proteinstruktur kaldet aquaporin-4 i deres membraner, der er i kontakt med vaskulaturen for at lukke vandmolekyler ind og ud, som også bidrager til at fjerne affald fra hjernen.

"I tidligere chips, aquaporin-4-ekspression blev ikke observeret. Denne chip var den første, " sagde Kim. "Dette kunne være vigtigt i forskningen i Alzheimers sygdom, fordi aquaporin-4 er vigtigt for at fjerne nedbrudt junkprotein ud af hjernen."

En af undersøgelsens medforfattere, Dr. Allan Levey fra Emory University, en højt citeret forsker i neurologisk medicin, er interesseret i chippens potentiale i at tackle Alzheimers. En anden, Dr. Tobey McDonald, også af Emory, forsker i pædiatrisk hjernekræft og er interesseret i chippens muligheder for at studere leveringen af ​​potentielle hjernekræftbehandlinger.

Barriere virker sundt

Astrocytter gav også tegn på, at de var sundere i chippens 3-D-kulturer end i 2-D-kulturer ved at udtrykke mindre af et gen udløst af patologi.

"Astrocytter i 2-D-kultur udtrykte signifikant højere niveauer af LCN2 end dem i 3-D. Da vi dyrkede i 3-D, det var kun omkring en fjerdedel så meget, " sagde Kim.

Den sundere tilstand gjorde også astrocytter bedre i stand til at vise en immunreaktion.

"Da vi bevidst konfronterede astrocytten med patologisk stress i en 3-D kultur, vi fik en klarere reaktion. I 2D, grundtilstanden var allerede mindre sund, og så kom reaktionen på patologiske belastninger ikke så tydeligt frem. Denne forskel kunne gøre 3-D-kulturen meget interessant for patologistudier."

Nanopartikel levering

I test relateret til medicinafgivelse, nanopartikler bevægede sig gennem blod-hjerne-barrieren efter at have engageret endotelcellereceptorer, hvilket fik disse celler til at opsluge partiklerne og derefter transportere dem til det, der ville være inde i den menneskelige hjerne i naturlige omgivelser. Dette er en del af, hvordan endotelceller fungerede bedre, når de var forbundet med astrocytter dyrket i 3-D.

"Da vi hæmmede receptoren, størstedelen af ​​nanopartiklerne ville ikke komme ind. Den slags test ville ikke fungere i dyremodeller på grund af unøjagtigheder på tværs af arter mellem dyr og mennesker, " sagde Kim. "Dette var et eksempel på, hvordan denne nye chip kan lade dig studere den menneskelige blod-hjerne-barriere for potentiel medicinafgivelse, som du ikke kan i dyremodeller."