Verbessert das menschliche Blut-Hirn-Schranke Chip führt in vivo-wie Drogen-und Antikörper-transport

Wie Flughafen-Sicherheits-Barrieren, die entweder klar autorisierte Reisende oder blockieren Sie nicht autorisierte Reisende und deren Gepäck, den Zugriff auf den zentralen Betrieb Bereiche, die Blut-Hirn-Schranke (BBB) eng steuert den transport von essentiellen Nährstoffen und Energie Metaboliten in das Gehirn und Stäbe aus unerwünschten Substanzen im Blut zirkulierenden Strom. Wichtig ist, dass es die hoch organisierte Struktur der feinen Blutgefäße und Unterstützung der Zellen ist auch das große Hindernis für life-saving Drogen, die das Gehirn erreicht, um effektiv Behandlung von Krebs, neurodegeneration und andere Erkrankungen des zentralen Nervensystems. In einer Reihe von Erkrankungen des Gehirns, der BBB kann auch vor Ort zu brechen, verursacht neurotoxische Substanzen, Blutzellen und Krankheitserreger gelangen in das Gehirn und verursachen irreparable Verwüstung.

Die Untersuchung der BBB und Medikamenten-transport über es, haben die Forscher stützte sich überwiegend auf Tiermodelle wie Mäuse. Aber das genaue make-up und die transport-Funktionen von BBBs in diese Modelle deutlich von denen unterscheiden, die bei menschlichen Patienten, welche macht Sie unzuverlässig für die Vorhersage von drug-delivery-und therapeutische Wirksamkeit. Auch in-vitro-Modelle, die versuchen, neu zu erstellen die menschliche BBB mit primären Gehirn-Gewebe-abgeleitete Zellen, die bisher nicht in der Lage zu imitieren die BBB die physikalische Barriere, die transport-Funktionen, sowie Drogen-und Antikörper pendelt Aktivitäten eng genug zu sein nützlich als therapeutische Entwicklungs-tools.

Nun, ein team unter der Leitung von Donald Ingber, M. D.,Ph. D. an der Harvard Wyss Institut für Biologisch Inspirierte Engineering hat diese Einschränkungen überwinden, indem Sie durch die mikrofluidischen Organe-on-Chips (Organ-Chips) – Technologie in Kombination mit einem entwicklungspsychologisch inspirierte Hypoxie-ähnlichen Ansatz zu unterscheiden, menschliche pluripotente Stammzellen (iPS) in brain microvascular endothelial cells (BMVECs). Die daraus resultierenden „Hypoxie-verbesserte BBB-Chip‘ rekapituliert zelluläre Organisation, enge Barriere-Funktionen und-transport-Fähigkeiten des menschlichen BBB; und es ermöglicht den transport von Medikamenten und therapeutischen Antikörpern in einer Weise, die mehr eng imitiert den transport über die BBB in vivo als bisherige in-vitro-Systemen. Ihre Studie wird berichtet in „Nature Communications“.

„Unser Ansatz für die Modellierung Medikament und Antikörper pendelt über den menschlichen BBB in vitro mit so hohen und noch nie dagewesene Klangtreue stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber vorhandenen Fähigkeiten in dieses enorm anspruchsvolle Forschungs-Bereich,“ sagte Wyss-Institut-Gründungsdirektor Ingber. „Es behebt eine kritische Notwendigkeit, die in Droge-Entwicklung-Programme in der gesamten pharma-und biotech-Welt, dass wir nun zum Ziel zu überwinden, mit einem speziellen ‚Blut-Hirn-Schranke Transport-Programm“ am Wyss-Institut mit Hilfe unserer einzigartigen talent und Ressourcen.“ Ingber ist auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der HMS und der Vaskulären Biologie-Programm an der Boston Kinderkrankenhaus, sowie Professor für Bioengineering an der SEE.

Die BBB besteht aus dünnen Kapillare Blutgefäße gebildet durch BMVECs, Multifunktions-Zellen, den sogenannten perizyten, die wickeln sich um die Außenseite der Gefäße, und die sternförmigen Astrozyten, die sind nicht-neuronale Gehirnzellen, die auch den Kontakt Gefäße mit Fuß-wie Prozessen. In Anwesenheit von perizyten und Astrozyten, Endothelzellen erzeugen kann, die dicht an der Behälterwand Barriere typisch für die menschliche BBB.

Ingber team erste differenzierte menschliche iPS-Zellen, um Gehirn-Endothel-Zellen in der Kulturschale mit einer Methode, die zuvor entwickelt von co-Autor Eric Shusta, Ph. D., Professor für Chemische und Biologische Engineering an der University of Wisconsin-Madison, aber mit der zusätzlichen Kraft von bioinspiration. „Weil der embryo, der BBB Formen unter sauerstoffarmen Bedingungen (Hypoxie), wir differenzierte iPS-Zellen für eine längere Zeit in einer Atmosphäre mit nur 5% statt der üblichen 20% Sauerstoff-Konzentration“, sagte co-Erstautor Tae-Eun Park, Ph. D. „Als Ergebnis, die iPS-Zellen initiiert Entwicklungs-Programm sehr ähnlich, die in den embryo, Herstellung BMVECs, die ausgestellt höhere Funktionalität als BMVECs erzeugt in normalen Sauerstoff-Verhältnissen.“ Park war ein Postdoctoral Fellow an Ingber ‚ s team und ist jetzt Assistant Professor am Ulsan National Institute of Science und Technologie in der Republik Korea.

Aufbauend auf eine frühere menschliche BBB-Modell, das die Forscher als Nächstes übertragen die Hypoxie-induzierte menschliche BMVECs sich in zwei parallele Kanäle eines Mikrofluidik-Organ-on-Chip-Gerät, welche durch eine poröse Membran und kontinuierlich perfundierten mit medium. Der andere Kanal war gefüllt mit einer Mischung aus primären menschlichen Gehirn perizyten und Astrozyten. Nach einem weiteren Tag der Hypoxie-Behandlung, die menschliche BBB-chip konnte stabil gehalten für mindestens 14 Tage bei normalen Sauerstoff-Konzentrationen, die weit mehr als die bisherigen in-vitro-menschliche BBB Modelle versucht in der Vergangenheit.

Unter der Scherbeanspruchung des fluids perfusing der BBB-Chip, der BMVECs gehen, um zu bilden ein Blutgefäß, und die Entwicklung einer dichten Schnittstelle mit perizyten ausrichten mit Ihnen auf der anderen Seite der porösen Membran als auch mit Astrozyten Ausweitung der Prozesse gegen Sie durch kleine öffnungen in der Membran. „Die unterschiedliche Morphologie der gebauten BBB wird flankiert durch die Bildung einer engeren Barriere mit erhöhten zahlen der selektive transport-und Drogen-shuttle-Systeme im Vergleich zur Kontrolle BBBs, die wir erzeugten, ohne Hypoxie oder fluid shear stress, oder mit Endothel abgeleitet aus adulten Gehirn statt iPS-Zellen“, sagte Nur Mustafaoglu, Ph. D., co-erste Autor auf der Studie und Postdoc arbeiten Ingber team. „Außerdem könnten wir emulieren Effekte von Behandlungsstrategien bei Patienten in der Klinik. Zum Beispiel, wir reversibel öffnete die BBB für eine kurze Zeit durch die Erhöhung der Konzentration der solute mannitol [Osmolarität] erlauben die passage von großen Medikamente wie die anti-Krebs-Antikörper Cetuximab.“

Zusätzliche Nachweis, dass die Hypoxie-verbesserte menschliche BBB-Chip genutzt werden kann als ein effektives Werkzeug für das Studium der drug-delivery, um das Gehirn, das team untersucht eine Reihe von transport-Mechanismen, die entweder verhindern, dass die Drogen vom erreichen Ihrer Ziele in das Gehirn Pumpen, um Sie zurück in die Blutbahn (efflux), oder dass im Gegensatz dazu erlauben den selektiven transport von Nährstoffen und von Drogen über die BBB (transcytosis).

„Wenn wir gezielt blockiert die Funktion von P-gp, ein Schlüssel Endothelzellen effluxpumpe, konnten wir eine deutliche Zunahme der transport von anti-Krebs-Medikament doxorubicin aus dem vaskulären Kanal an das Gehirn channel, sehr ähnlich zu dem, was beobachtet wurde in menschlichen Patienten,“ sagte Park. „Damit ist unser in vitro-system könnte verwendet werden, um neue Ansätze zur Verringerung der efflux und erleichtern so den Drogen-transport in das Gehirn in die Zukunft.“

Auf einem anderen Schauplatz -, Drogen-Entwickler, die versuchen, Sie zu nutzen ‚- rezeptor-vermittelte transcytosis‘ als Fahrzeug für pendelt Medikament-beladenen Nanopartikel, größere Chemische und protein-Arzneimitteln, sowie therapeutische Antikörper über die BBB. „Die Hypoxie-verbesserte menschliche BBB-Chip rekapituliert die Funktion der kritischen transcytosis Wege, wie die von der LRP-1 und transferrin-Rezeptoren verantwortlich für die Aufnahme von vital-Lipoproteine und Eisen aus dem zirkulierenden Blut und er Sie in das Gehirn auf der anderen Seite des BBB. Durch die Nutzung von diesen Rezeptoren mit unterschiedlichen präklinischen Strategien, wir können originalgetreu imitieren die vorher gezeigt, pendelt der therapeutischen Antikörper, die Ziel-transferrin-Rezeptoren in vivo, während die Aufrechterhaltung der BBB-Integrität in vitro“, sagte Mustafaoglu.

Basierend auf diesen Erkenntnissen, die Wyss-Institut initiiert hat „Blood-Brain Barrier Transport-Programm‘. „Zunächst werden die BBB-Transport-Programm zielt darauf ab, entdecken Sie neue shuttle-Ziele, die angereichert sind auf der BMVEC Kreislauf-Oberfläche, mit neuartigen transcriptomics, proteomics-und iPS-Zell-Ansätze. Parallel dazu werden wir die Entwicklung vollständig menschlicher Antikörper shuttles richtet sich gegen den bekannten shuttle-Ziele mit erweiterten Gehirn-targeting-Fähigkeiten“, sagte James Gorman, M. D., Ph. D., die Mitarbeiter Führen, die für die BBB-Transport-Programm arbeiten, mit Ingber. „Wir wollen die Zusammenarbeit mit mehreren biopharmazeutischen Partner in einem vorwettbewerblichen Beziehung zu entwickeln, die shuttles, die außergewöhnliche Wirksamkeit und engineering-Flexibilität für den Einbau in Antikörper-und protein-Arzneimitteln, da diese so dringend brauchen, durch die Patienten und das ganze Feld.“

Die Autoren sind der Meinung, dass neben der Entwicklung von Medikamenten-Studien, die Hypoxie-verbesserte menschliche BBB-Chip kann auch verwendet werden, um Modell-Aspekte von Erkrankungen des Gehirns, die Auswirkungen auf die BBB, wie die Alzheimer-und Parkinson-Krankheit, und für die advanced-personalisierte Medizin Ansätze, die mithilfe von Patienten abgeleiteten iPS-Zellen.