Izveidotas pirmās cilvēka mini smadzenes ar funkcionējošu hematoencefalisko barjeru.

Jauns pētījums, ko veikusi Cincinnati Bērnu slimnīcas ekspertu komanda, ir novedis pie pasaulē pirmo cilvēka mini smadzeņu ar pilnībā funkcionējošu hematoencefālisko barjeru (ASB) izveides.

Šis nozīmīgais sasniegums, kas publicēts žurnālā "Cell Stem Cell", sola paātrināt izpratni un uzlabot ārstēšanu plaša spektra smadzeņu slimību, tostarp insulta, cerebrovaskulāru slimību, smadzeņu vēža, Alcheimera slimības, Hantingtona slimības, Parkinsona slimības un citu neirodeģeneratīvu slimību, gadījumā.

"Autentiska cilvēka BBB modeļa trūkums ir bijis galvenais šķērslis neiroloģisko slimību pētīšanā," sacīja vadošais pētījuma autors Dr. Ziyuan Guo.

"Mūsu sasniegums ietver cilvēka BBB organoīdu ģenerēšanu no cilvēka pluripotentām cilmes šūnām, atdarinot cilvēka neirovaskulāro attīstību, lai radītu precīzu barjeras attēlojumu augošos, funkcionējošos smadzeņu audos. Tas ir svarīgs progress, jo dzīvnieku modeļi, ko mēs pašlaik izmantojam, precīzi neatspoguļo cilvēka smadzeņu attīstību un BBB funkcionalitāti."

Kas ir asins-smadzeņu barjera?

Atšķirībā no pārējā ķermeņa, smadzeņu asinsvados ir papildu blīvi izvietotu šūnu slānis, kas krasi ierobežo molekulu izmēru, kas var nonākt no asinsrites centrālajā nervu sistēmā (CNS).

Pareizi funkcionējoša barjera uztur smadzenes veselīgas, novēršot kaitīgu vielu iekļūšanu, vienlaikus ļaujot svarīgām uzturvielām sasniegt smadzenes. Tomēr šī pati barjera arī neļauj daudzām potenciāli labvēlīgām zālēm iekļūt smadzenēs. Turklāt vairāki neiroloģiski traucējumi rodas vai pasliktinās, ja asins-asins barjera neveidojas pareizi vai sāk sadalīties.

Būtiskās atšķirības starp cilvēku un dzīvnieku smadzenēm ir novedušas pie tā, ka daudzas daudzsološas jaunas zāles, kas izstrādātas, izmantojot dzīvnieku modeļus, vēlāk neattaisno cerības, testējot tās uz cilvēkiem.

"Tagad, izmantojot cilmes šūnu bioinženieriju, esam izstrādājuši inovatīvu uz cilvēka cilmes šūnām balstītu platformu, kas ļauj mums pētīt sarežģītos mehānismus, kas regulē BBB funkciju un disfunkciju. Tas paver vēl nebijušas iespējas zāļu atklāšanai un terapeitiskām intervencēm," saka Guo.

Ilgstošas problēmas pārvarēšana

Pētnieku komandas visā pasaulē sacenšas, lai izstrādātu smadzeņu organoīdus — sīkas, augošas 3D struktūras, kas atdarina smadzeņu veidošanās agrīnās stadijas. Atšķirībā no šūnām, kas audzētas plakanā laboratorijas traukā, organoīdās šūnas ir savienotas viena ar otru. Tās pašorganizējas sfēriskās formās un "sazinās" viena ar otru, tāpat kā cilvēka šūnas embrionālās attīstības laikā.

Cincinnati Children's ir bijis līderis cita veida organoīdu izstrādē, tostarp pasaulē pirmo funkcionējošo zarnu, kuņģa un barības vada organoīdu izstrādē. Taču līdz šim nevienam pētniecības centram nebija izdevies izveidot smadzeņu organoīdu, kas saturētu īpašu barjeras slāni, kas atrodams cilvēka smadzeņu asinsvados.

Mēs tos saucam par jaunajiem modeļiem "BBB ambleloids".

Pētnieku komanda savu jauno modeli nosauca par "BBB assembloīdiem". Viņu nosaukums atspoguļo sasniegumu, kas padarīja šo izrāvienu iespējamu. Šie assembloīdi apvieno divu dažādu veidu organoīdus: smadzeņu organoīdus, kas atdarina cilvēka smadzeņu audus, un asinsvadu organoīdus, kas atdarina asinsvadu struktūras.

Apvienošanās process sākās ar smadzeņu organoīdiem 3–4 milimetru diametrā un asinsvadu organoīdiem aptuveni 1 milimetra diametrā. Apmēram mēneša laikā šīs atsevišķās struktūras saplūda vienā sfērā, kuras diametrs bija nedaudz vairāk par 4 milimetriem (apmēram 1/8 collas jeb aptuveni sezama sēklas lielumā).

Attēla apraksts: Divu veidu organoīdu sapludināšanas process, lai izveidotu cilvēka smadzeņu organoīdu, kas ietver hematoencefālisko barjeru. Attēla autors: Cincinnati Children's and Cell Stem Cell.

Šie integrētie organoīdi atveido daudzas sarežģītas neirovaskulāras mijiedarbības, kas novērojamas cilvēka smadzenēs, taču tie nav pilnīgi smadzeņu modeļi. Piemēram, audos nav imūnšūnu un tiem nav savienojuma ar pārējo ķermeņa nervu sistēmu.

Sinsinati Bērnu pētniecības komandas ir panākušas citus sasniegumus dažādu šūnu tipu organoīdu sapludināšanā un slāņošanā, lai radītu sarežģītākus "nākamās paaudzes organoīdus". Šie sasniegumi ir palīdzējuši sniegt informāciju jaunam darbam par smadzeņu organoīdu izveidi.

Svarīgi ir tas, ka BBB kompleksus var audzēt, izmantojot neirotipiskas cilvēka cilmes šūnas vai cilmes šūnas no cilvēkiem ar noteiktām smadzeņu slimībām, tādējādi atspoguļojot gēnu variantus un citus stāvokļus, kas var izraisīt hematoencefāliskā barjeras funkcijas traucējumus.

Sākotnējais koncepcijas pierādījums

Lai demonstrētu jauno assembloīdu potenciālo lietderību, pētnieku komanda izmantoja no pacientiem iegūtu cilmes šūnu līniju, lai izveidotu assembloīdus, kas precīzi reproducēja retas smadzeņu slimības, ko sauc par smadzeņu kavernozo malformāciju, galvenās iezīmes.

Šī ģenētiskā slimība, kam raksturīgs hematoencefāliskā barjeras integritātes bojājums, izraisa patoloģisku asinsvadu kopu veidošanos smadzenēs, kas pēc izskata bieži atgādina avenes. Šī slimība ievērojami palielina insulta risku.

"Mūsu modelis precīzi atkārtoja slimības fenotipu, sniedzot jaunu ieskatu cerebrovaskulāro slimību molekulārajā un šūnu patoloģijā," saka Guo.

Potenciālie pielietojumi

Līdzautori saskata dažādus potenciālus BBB mezglu pielietojumus:

• Personalizēta zāļu skrīnings: no pacientiem iegūtas BBB kompleksi var kalpot kā avatari, lai pielāgotu terapiju pacientiem, pamatojoties uz viņu unikālajiem ģenētiskajiem un molekulārajiem profiliem.
• Slimību modelēšana: Vairākām neirovaskulārām slimībām, tostarp retām un ģenētiski sarežģītām slimībām, trūkst labu modeļu sistēmu pētniecībai. Panākumi BBB kompleksu izveidē varētu paātrināt cilvēka smadzeņu audu modeļu izstrādi plašākam slimību klāstam.
• Augstas caurlaidības zāļu atklāšana: Asembloīdu ražošanas palielināšana varētu ļaut precīzāk un ātrāk analizēt, vai potenciālās smadzeņu zāles var efektīvi šķērsot BBB.
• Vides toksīnu testēšana: BBB komplekti, kas bieži balstās uz dzīvnieku modeļu sistēmām, var palīdzēt novērtēt vides piesārņotāju, farmaceitisko līdzekļu un citu ķīmisko savienojumu toksisko iedarbību.
• Imunoterapijas izstrāde: Izpētot BBB lomu neiroiekaisuma un neirodeģeneratīvās slimībās, jauni kompleksi varētu atbalstīt imūnterapijas piegādi smadzenēm.
• Bioinženierijas un biomateriālu pētījumi: Biomedicīnas inženieri un materiālu zinātnieki var izmantot laboratorijas BBB modeļa pieejamību, lai pārbaudītu jaunus biomateriālus, zāļu piegādes līdzekļus un audu inženierijas stratēģijas.

"Kopumā BBB mezgli ir revolucionāra tehnoloģija ar plašu ietekmi uz neirozinātni, zāļu atklāšanu un personalizētu medicīnu," saka Guo.