Loodud on esimene funktsionaalse vere-aju barjääriga inimese miniaju

Cincinnati Lastehaigla ekspertide juhitud meeskonna uus uuring on viinud maailma esimese inimese miniaju loomiseni, millel on täielikult funktsioneeriv hematoentsefaalbarjäär (HEB).

See ajakirjas Cell Stem Cell avaldatud märkimisväärne läbimurre lubab kiirendada arusaamist ja parandada ravimeetodeid paljude ajukahjustuste, sealhulgas insuldi, tserebrovaskulaarsete haiguste, ajukasvaja, Alzheimeri tõve, Huntingtoni tõve, Parkinsoni tõve ja teiste neurodegeneratiivsete seisundite korral.

„Autentse inimese BBB mudeli puudumine on olnud neuroloogiliste haiguste uurimisel peamine takistus,“ ütles juhtivteadur dr Ziyuan Guo.

"Meie läbimurre hõlmab inimese BBB organoidide genereerimist inimese pluripotentsetest tüvirakkudest, jäljendades inimese neurovaskulaarset arengut, et luua täpne kujutis kasvava ja toimiva ajukoe barjäärist. See on oluline edasiminek, sest praegu kasutatavad loommudelid ei kajasta täpselt inimese aju arengut ja BBB funktsionaalsust."

Mis on hematoentsefaalbarjäär?

Erinevalt ülejäänud kehast on aju veresoontel tihedalt pakitud rakkude lisakiht, mis piirab järsult vereringest kesknärvisüsteemi (KNS) pääsevate molekulide suurust.

Korralikult toimiv barjäär hoiab aju tervena, takistades kahjulike ainete sisenemist ja võimaldades samal ajal elutähtsatel toitainetel ajju jõuda. Sama barjäär takistab aga ka paljude potentsiaalselt kasulike ravimite ajju sisenemist. Lisaks põhjustab või süveneb mitmete neuroloogiliste häirete teket see, kui hematoentsefaalbarjäär ei moodustu õigesti või hakkab lagunema.

Inimeste ja loomade aju olulised erinevused on tähendanud, et paljud loommudelite abil välja töötatud paljulubavad uued ravimid ei vasta hiljem inimestel testimisel ootustele.

„Nüüd oleme tüvirakkude bioinseneri abil välja töötanud uuendusliku inimese tüvirakkudel põhineva platvormi, mis võimaldab meil uurida keerulisi mehhanisme, mis reguleerivad BBB funktsiooni ja düsfunktsiooni. See pakub enneolematuid võimalusi ravimite avastamiseks ja terapeutilisteks sekkumisteks,“ ütleb Guo.

Pikaajalise probleemi ületamine

Uurimisrühmad üle maailma võistlevad ajuorganoidide – pisikeste kasvavate 3D-struktuuride – väljatöötamise nimel, mis jäljendavad aju moodustumise algstaadiume. Erinevalt tasasel laborinõus kasvatatud rakkudest on organoidrakud omavahel ühendatud. Nad organiseeruvad ise sfäärilisteks kujunditeks ja "suhtlevad" üksteisega, just nagu inimrakud embrüonaalse arengu ajal.

Cincinnati Lastehaigla on olnud liider muud tüüpi organoidide väljatöötamisel, sealhulgas maailma esimeste funktsionaalsete soole-, mao- ja söögitoru organoidide väljatöötamisel. Kuid seni polnud ühelgi uurimiskeskusel õnnestunud luua ajuorganoidi, mis sisaldab inimese aju veresoontes leiduvat spetsiaalset barjäärikihti.

Me kutsume neid uuteks mudeliteks "BBB assembloidideks".

Uurimisrühm nimetas oma uue mudeli "BBB assembloidideks". Nende nimi peegeldab saavutust, mis tegi selle läbimurde võimalikuks. Need assembloidid ühendavad kahte erinevat tüüpi organoidi: aju organoidid, mis kopeerivad inimese ajukude, ja veresoonte organoidid, mis jäljendavad veresoonte struktuure.

Ühendamise protsess algas 3-4 millimeetrise läbimõõduga aju organoidide ja umbes 1 millimeetrise läbimõõduga veresoonte organoidide abil. Umbes kuu aja jooksul ühinesid need eraldi struktuurid üheks veidi üle 4 millimeetri läbimõõduga sfääriks (umbes 1/8 tolli ehk umbes seesamiseemne suurune).

Pildi kirjeldus: Kahe organoiditüübi ühendamise protsess inimese aju organoidi loomiseks, mis hõlmab ka hematoentsefaalbarjääri. Allikas: Cincinnati laste ja rakkude tüvirakud.

Need integreeritud organoidid taastavad paljusid inimese ajus täheldatud keerulisi neurovaskulaarseid interaktsioone, kuid need ei ole aju täielikud mudelid. Näiteks ei sisalda kude immuunrakke ega ole ühenduses ülejäänud keha närvisüsteemiga.

Cincinnati lasteuuringute meeskonnad on teinud edusamme erinevate rakutüüpide organoidide ühendamisel ja kihistamisel, et luua keerukamaid "järgmise põlvkonna organoide". Need edusammud on aidanud kaasa uuele tööle aju organoidide loomisel.

Oluline on see, et BBB komplekte saab kasvatada neurotüüpiliste inimese tüvirakkude või teatud ajukahjustustega inimeste tüvirakkude abil, peegeldades seega geenivariante ja muid seisundeid, mis võivad põhjustada hematoentsefaalbarjääri funktsiooni halvenemist.

Kontseptsiooni esialgne tõestus

Uute assambloidide potentsiaalse kasulikkuse demonstreerimiseks kasutas uurimisrühm patsiendilt saadud tüvirakkude rida, et luua assambloide, mis reprodutseerisid täpselt haruldase ajukahjustuse, mida nimetatakse aju kavernoosseks väärarenguks, põhijooni.

See geneetiline häire, mida iseloomustab hematoentsefaalbarjääri terviklikkuse häire, põhjustab ajus ebanormaalsete veresoonte kogunemist, mis välimuselt meenutavad sageli vaarikaid. See häire suurendab oluliselt insuldiriski.

"Meie mudel kirjeldas haiguse fenotüüpi täpselt uuesti, pakkudes uusi teadmisi tserebrovaskulaarsete haiguste molekulaarse ja rakulise patoloogia kohta," ütleb Guo.

Võimalikud rakendused

Kaasautorid näevad BBB-sõlmede jaoks mitmesuguseid potentsiaalseid rakendusi:

• Isikupärastatud ravimite skriining: Patsientidelt saadud BBB-komplektid võivad olla avatarid, et kohandada ravi patsientidele nende ainulaadsete geneetiliste ja molekulaarsete profiilide põhjal.
• Haiguste modelleerimine: Mitmete neurovaskulaarsete häirete, sealhulgas haruldaste ja geneetiliselt keerukate seisundite puhul puuduvad head uurimismudelid. BBB-struktuuride loomise edu võiks kiirendada inimese ajukoe mudelite väljatöötamist laiema seisundite hulga jaoks.
• Suure läbilaskevõimega ravimite avastamine: assembloidide tootmise suurendamine võimaldaks täpsemat ja kiiremat analüüsi selle kohta, kas potentsiaalsed ajuravimid suudavad tõhusalt läbida BBB-d.
• Keskkonnatoksiinide testimine: sageli loommudelitel põhinevad vere- ja imbvälja takistusribade komplektid aitavad hinnata keskkonnasaasteainete, ravimite ja muude keemiliste ühendite toksilist mõju.
• Immunoteraapia väljatöötamine: Uurides BBB rolli neuroinflammatoorsetes ja neurodegeneratiivsetes haigustes, võivad uued kompleksid toetada immuunteraapiate kohaletoimetamist ajju.
• Bioinseneriteadus ja biomaterjalide uuringud: Biomeditsiinitehnika insenerid ja materjaliteadlased saavad ära kasutada laboratoorse BBB mudeli kättesaadavust uute biomaterjalide, ravimite manustamisvahendite ja koetehnoloogia strateegiate testimiseks.

"Üldiselt esindavad BBB komplektid revolutsioonilist tehnoloogiat, millel on laialdased tagajärjed neuroteadusele, ravimite avastamisele ja personaalmeditsiinile," ütleb Guo.