Tal como as barreiras de segurança nos aeroportos que permitem aos viajantes autorizados ou bloquear viajantes não autorizados e a sua bagagem de aceder a áreas centrais de operação, a barreira hematoencefálica (BBB) ??controla rigorosamente o transporte de nutrientes essenciais e metabolitos de energia para o cérebro e evita a entrada de substâncias indesejáveis. na corrente sanguínea. É importante ressaltar que a estrutura altamente organizada dos vasos sanguíneos e células de suporte é também o principal obstáculo para que os medicamentos salvadores cheguem ao cérebro para tratar com eficácia o câncer, a neurodegeneração e outras doenças do sistema nervoso central. Em várias doenças cerebrais, a BHE também pode quebrar localmente, fazendo com que substâncias neurotóxicas, células sangüíneas e patógenos vazem para o cérebro e causem estragos irreparáveis.
Para estudar o BBB e o transporte de drogas através dele, os pesquisadores basearam-se principalmente em modelos animais, como os ratos. No entanto, as funções precisas de composição e transporte de BBBs nesses modelos podem diferir significativamente daquelas em pacientes humanos, o que as torna pouco confiáveis ??para a previsão de entrega de drogas e eficácias terapêuticas. Também os modelos in vitro que tentam recriar a BBB humana utilizando células derivadas de tecido cerebral primário até agora não foram capazes de imitar a barreira física da BBB, funções de transporte e actividades de fármaco e anticorpo de perto o suficiente para serem úteis como ferramentas de desenvolvimento terapêutico.
Agora, uma equipe liderada por Donald Ingber, M.D., Ph.D. O Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada de Harvard superou essas limitações utilizando sua tecnologia microfluídica de Órgãos sobre os Chips (Chips de Órgãos) em combinação com uma abordagem de imitação de hipóxia inspirada no desenvolvimento para diferenciar células tronco pluripotentes humanas (iPS) em endotelial microvascular cerebral células (BMVECs). O ‘BBB Chip’ melhorado por hipoxia resultante recapitula a organização celular, as funções de barreira rígidas e as capacidades de transporte do BBB humano; e permite o transporte de drogas e anticorpos terapticos de uma maneira que imita mais de perto o transporte atrav da BBB in vivo do que os sistemas in vitro existentes. Seu estudo é relatado na Nature Communications.
“Nossa abordagem de modelagem de fármacos e anticorpos em todo o ciclo de vida humano in vitro com uma fidelidade tão alta e sem precedentes apresenta um avanço significativo sobre as capacidades existentes nesta área de pesquisa extremamente desafiadora”, disse o diretor fundador do Wyss Institute, Ingber. “Ele aborda uma necessidade crítica em programas de desenvolvimento de medicamentos em todo o mundo farmacêutico e biotecnológico que agora visamos ajudar a superar com um programa dedicado de transporte de barreira hemato-encefálica no Instituto Wyss usando nosso talento e recursos únicos”. Ingber também é professor de Biologia Vascular de Judah Folkman na HMS e no Programa de Biologia Vascular do Hospital Infantil de Boston, bem como professor de Bioengenharia na SEAS.
A BHE consiste em vasos sanguíneos capilares finos formados por BMVECs, células multifuncionais conhecidas como pericitos que se envolvem em torno do exterior dos vasos e astrócitos em forma de estrela, que são células cerebrais não neuronais que também entram em contato com vasos sanguíneos com processos semelhantes aos pés . Na presença de pericitos e astrócitos, as células endoteliais podem gerar a barreira da parede do vaso firmemente vedada, típica do BBB humano.
A equipe de Ingber primeiro diferenciou as células iPS humanas das células endoteliais do cérebro no prato de cultura usando um método que havia sido desenvolvido anteriormente pelo co-autor Eric Shusta, Ph.D., professor de engenharia química e biológica na Universidade de Wisconsin-Madison, mas com o poder adicionado da bioinspiração. “Como no embrião, o BBB se forma sob condições de baixo oxigênio (hipóxia), nós diferenciamos as células iPS por um longo tempo em uma atmosfera com apenas 5% ao invés da concentração normal de 20% de oxigênio”, disse o co-primeiro autor Tae. Eun Park, Ph.D. “Como resultado, as células iPS iniciaram um programa de desenvolvimento muito semelhante ao do embrião, produzindo BMVECs que exibiam maior funcionalidade do que os BMVECs gerados em condições normais de oxigênio”. Park trabalhou como pós-doutorado na equipe de Ingber e agora é professor assistente no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan, na República da Coréia.
Com base em um modelo anterior de BBB humana, os pesquisadores transferiram os BMVECs humanos induzidos por hipóxia para um dos dois canais paralelos de um dispositivo microfluídico Organ-on-Chip que são divididos por uma membrana porosa e continuamente perfundidos com meio. O outro canal foi preenchido com uma mistura de pericitos primários do cérebro humano e astrócitos. Após um dia adicional de tratamento com hipoxia, o chip humano BBB pode ser mantido estavelmente durante pelo menos 14 dias a concentrações normais de oxigénio, o que é muito mais longo do que no passado em modelos humanos in vitro de BBB tentados no passado.
Sob o estresse de cisalhamento dos fluidos perfundindo o chip BBB, os BMVECs continuam a formar um vaso sanguíneo e desenvolvem uma interface densa com pericitos, alinhando-se com eles no outro lado da membrana porosa, bem como com os astrócitos estendendo os processos em direção a eles. através de pequenas aberturas na membrana. “A morfologia distinta da BHE projetada é paralela à formação de uma barreira mais rígida contendo números elevados de transporte seletivo e sistemas de transporte de drogas em comparação aos BPSs de controle que geramos sem hipóxia ou tensão de cisalhamento do fluido ou com endotélio derivado do cérebro adulto em vez de iPS células “, disse Nur Mustafaoglu, Ph.D., um co-primeiro autor do estudo e Postdoctoral Fellow trabalhando na equipe de Ingber. “Além disso, podemos emular os efeitos das estratégias de tratamento em pacientes na clínica. Por exemplo, abrimos a BH de forma reversível por um curto período de tempo aumentando a concentração de um manitol soluto [osmolaridade] para permitir a passagem de grandes drogas como a anti- Cetuximab anticorpo de câncer “.
Para fornecer uma prova adicional de que o chip BBB humano aprimorado por hipóxia pode ser utilizado como uma ferramenta eficaz para estudar a entrega de drogas ao cérebro, a equipe investigou uma série de mecanismos de transporte que impedem que os medicamentos atinjam seus alvos no cérebro, bombeando-os de volta. na corrente sangüínea (efluxo), ou que, em contraste, permitem o transporte seletivo de nutrientes e drogas através da BHE (transcitose).
“Quando nós especificamente bloqueamos a função da P-gp, uma bomba de efluxo endotelial chave, poderíamos aumentar substancialmente o transporte da droga anti-câncer doxorubicina do canal vascular para o canal cerebral, de forma muito semelhante ao que foi observado em pacientes humanos “, disse Park. “Assim, nosso sistema in vitro poderia ser usado para identificar novas abordagens para reduzir o efluxo e, assim, facilitar o transporte de drogas para o cérebro no futuro”.
Em outro local, os desenvolvedores de drogas estão tentando aproveitar a “transcitose mediada por receptores” como um veículo para transportar nanopartículas carregadas de drogas, drogas químicas e proteicas maiores, bem como anticorpos terapêuticos em toda a BHE. “A ficha BBB da Human Hippoxia melhorada recapitula a função das vias críticas de transcitose, tais como aquelas usadas pelos receptores de LRP-1 e transferrina responsáveis ??por absorver lipoproteínas vitais e ferro da circulação sanguínea e liberá-los no cérebro do outro lado “Ao utilizar esses receptores usando diferentes estratégias pré-clínicas, podemos fielmente imitar o transporte de anticorpos terapêuticos que têm como alvo receptores de transferrina in vivo, enquanto mantemos a integridade da BHE in vitro”, disse Mustafaoglu.
Com base nessas descobertas, o Instituto Wyss iniciou um “Programa de Transporte de Barreiras Hemato-Encefálicas”. “Inicialmente, o Programa de Transporte BBB tem como objetivo descobrir novos alvos transportadores que são enriquecidos na superfície vascular do BMVEC, usando novas abordagens de transcriptômica, proteômica e células iPS. Em paralelo, estamos desenvolvendo lançamentos de anticorpos totalmente humanos direcionados contra alvos conhecidos capacidade de direcionamento do cérebro “, disse James Gorman, MD, Ph.D., líder de equipe do programa de transporte da BBB trabalhando com a Ingber. “Nosso objetivo é colaborar com múltiplos parceiros biofarmacêuticos em uma relação pré-competitiva para desenvolver lançamentos que ofereçam eficácia excepcional e flexibilidade de engenharia para incorporação em anticorpos e drogas proteicas, porque isso é tão necessário para os pacientes e para todo o campo”.
Os autores acham que, além dos estudos de desenvolvimento de drogas, o chip BBB humano aprimorado com hipóxia também pode ser usado para modelar aspectos de doenças cerebrais que afetam a BHE, como a doença de Alzheimer e Parkinson, e abordagens avançadas de medicina personalizada usando células iPS.
Publicado em 15/06/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-06-human-blood-brain-barrier-chip-vivo-like.html
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