Ustvarili smo prve človeške mini možgane s funkcionalno krvno-možgansko pregrado

Nova raziskava ekipe pod vodstvom strokovnjakov iz otroške bolnišnice Cincinnati je privedla do nastanka prvih človeških mini možganov na svetu s popolnoma delujočo krvno-možgansko pregrado (KMP).

Ta pomemben preboj, objavljen v reviji Cell Stem Cell, obljublja pospešitev razumevanja in izboljšanje zdravljenja številnih možganskih bolezni, vključno z možgansko kapjo, cerebrovaskularno boleznijo, rakom možganov, Alzheimerjevo boleznijo, Huntingtonovo boleznijo, Parkinsonovo boleznijo in drugimi nevrodegenerativnimi stanji.

"Pomanjkanje pristnega modela človeškega krvno-možganskega dna je bila glavna ovira pri preučevanju nevroloških bolezni," je dejal vodilni avtor študije dr. Ziyuan Guo.

"Naš preboj vključuje generiranje organoidov človeške krvno-možganske bariere (KMB) iz človeških pluripotentnih matičnih celic, ki posnemajo človeški nevrovaskularni razvoj, da bi ustvarili natančno predstavitev pregrade v rastočem, delujočem možganskem tkivu. To je pomemben napredek, ker živalski modeli, ki jih trenutno uporabljamo, ne odražajo natančno razvoja človeških možganov in funkcionalnosti KMB."

Kaj je krvno-možganska pregrada?

Za razliko od preostalega dela našega telesa imajo krvne žile v možganih dodatno plast tesno zbitih celic, ki močno omejujejo velikost molekul, ki lahko prehajajo iz krvnega obtoka v centralni živčni sistem (CŽS).

Pravilno delujoča pregrada ohranja zdravje možganov, saj preprečuje vstop škodljivih snovi, hkrati pa omogoča, da vanje dosežejo vitalna hranila. Vendar pa ista pregrada preprečuje tudi vstop številnih potencialno koristnih zdravil v možgane. Poleg tega se številne nevrološke motnje pojavijo ali poslabšajo, ko se krvno-možganska bariera (KMB) ne tvori pravilno ali se začne razgrajevati.

Zaradi pomembnih razlik med človeškimi in živalskimi možgani je veliko obetavnih novih zdravil, razvitih na živalskih modelih, kasneje pri testiranju na ljudeh ne izpolnilo pričakovanj.

"Zdaj smo s pomočjo bioinženiringa matičnih celic razvili inovativno platformo, ki temelji na človeških matičnih celicah in nam omogoča preučevanje kompleksnih mehanizmov, ki uravnavajo delovanje in disfunkcijo krvno-možganske bariere (BBB). To ponuja izjemne možnosti za odkrivanje zdravil in terapevtske posege," pravi Guo.

Premagovanje dolgoletne težave

Raziskovalne ekipe po vsem svetu hitijo v razvoju možganskih organoidov – drobnih, rastočih 3D-struktur, ki posnemajo zgodnje faze nastajanja možganov. Za razliko od celic, vzgojenih v ravni laboratorijski posodi, so organoidne celice med seboj povezane. Samoorganizirajo se v sferične oblike in se med seboj »pogovarjajo«, tako kot to počnejo človeške celice med embrionalnim razvojem.

Otroška bolnišnica Cincinnati je vodilna pri razvoju drugih vrst organoidov, vključno s prvimi delujočimi črevesnimi, želodčnimi in požiralnikovimi organoidi na svetu. Vendar do sedaj nobenemu raziskovalnemu centru ni uspelo ustvariti možganskega organoida, ki bi vseboval posebno pregradno plast, ki jo najdemo v krvnih žilah človeških možganov.

Nove modele imenujemo "BBB asembloidi"

Raziskovalna skupina je svoj novi model poimenovala »asembloidi BBB«. Njihovo ime odraža dosežek, ki je omogočil ta preboj. Ti asembloidi združujejo dve različni vrsti organoidov: možganske organoide, ki posnemajo človeško možgansko tkivo, in organoide krvnih žil, ki posnemajo žilne strukture.

Proces združevanja se je začel z možganskimi organoidi s premerom 3-4 milimetre in organoidi krvnih žil s premerom približno 1 milimeter. V približno enem mesecu so se te ločene strukture združile v eno samo kroglo s premerom nekaj več kot 4 milimetre (približno 1/8 palca oziroma približno velikosti sezamovega semena).

Opis slike: Postopek združevanja dveh vrst organoidov za ustvarjanje organoida človeških možganov, ki vključuje krvno-možgansko pregrado. Avtor: Cincinnati Children's and Cell Stem Cell.

Ti integrirani organoidi poustvarjajo številne kompleksne nevrovaskularne interakcije, ki jih vidimo v človeških možganih, vendar niso popolni modeli možganov. Tkivo na primer ne vsebuje imunskih celic in nima povezav s preostalim živčnim sistemom telesa.

Raziskovalne skupine otroške univerze v Cincinnatiju so dosegle še druge napredke pri združevanju in plastenju organoidov iz različnih vrst celic, da bi ustvarile bolj kompleksne "organoide naslednje generacije". Ta napredek je pomagal pri oblikovanju novih raziskav na področju ustvarjanja možganskih organoidov.

Pomembno je, da se sklopi BBB lahko gojijo z uporabo nevrotipičnih človeških matičnih celic ali matičnih celic ljudi z določenimi možganskimi boleznimi, kar odraža genske različice in druga stanja, ki lahko vodijo do okvarjenega delovanja krvno-možganske pregrade.

Začetni dokaz koncepta

Da bi dokazali potencialno uporabnost novih asembloidov, je raziskovalna skupina uporabila linijo matičnih celic, pridobljenih od pacientov, za ustvarjanje asembloidov, ki so natančno reproducirali ključne značilnosti redkega možganskega stanja, imenovanega možganska kavernozna malformacija.

Ta genetska motnja, za katero je značilna kršitev integritete krvno-možganske pregrade, povzroči nastanek skupkov nenormalnih krvnih žil v možganih, ki po videzu pogosto spominjajo na maline. Motnja znatno poveča tveganje za možgansko kap.

"Naš model je natančno povzel fenotip bolezni in zagotovil nov vpogled v molekularno in celično patologijo cerebrovaskularnih bolezni," pravi Guo.

Možne aplikacije

Soavtorji vidijo različne možne aplikacije za sklope BBB:

• Personalizirano presejanje zdravil: Sklopi BBB, pridobljeni od pacienta, lahko služijo kot avatarji za prilagajanje terapije pacientom na podlagi njihovih edinstvenih genetskih in molekularnih profilov.
• Modeliranje bolezni: Za številne nevrovaskularne motnje, vključno z redkimi in genetsko kompleksnimi stanji, primanjkuje dobrih modelnih sistemov za raziskave. Uspeh pri ustvarjanju sklopov krvno-možganske barijere bi lahko pospešil razvoj modelov človeškega možganskega tkiva za širši spekter stanj.
• Odkrivanje visokozmogljivih zdravil: Povečanje proizvodnje asembloidov bi lahko omogočilo natančnejšo in hitrejšo analizo, ali lahko potencialna zdravila za možgane učinkovito prečkajo krvno-možgansko bariero.
• Testiranje okoljskih toksinov: Sklopi BBB, ki pogosto temeljijo na živalskih modelnih sistemih, lahko pomagajo oceniti toksične učinke okoljskih onesnaževal, farmacevtskih izdelkov in drugih kemičnih spojin.
• Razvoj imunoterapije: Z raziskovanjem vloge krvno-možganske bariere (KMB) pri nevroinflamatornih in nevrodegenerativnih boleznih lahko novi sklopi podpirajo dajanje imunskih terapij v možgane.
• Bioinženiring in raziskave biomaterialov: Biomedicinski inženirji in znanstveniki materialov lahko izkoristijo razpoložljivost laboratorijskega modela BBB za testiranje novih biomaterialov, vozil za dajanje zdravil in strategij tkivnega inženiringa.

"Na splošno sklopi BBB predstavljajo revolucionarno tehnologijo s širokimi posledicami za nevroznanost, odkrivanje zdravil in personalizirano medicino," pravi Guo.