Sukurtos pirmosios žmogaus mini smegenys su veikiančiu kraujo ir smegenų barjeru

Naujas Sinsinačio vaikų ligoninės ekspertų komandos atliktas tyrimas leido sukurti pirmąsias pasaulyje žmogaus mini smegenis su visiškai funkcionuojančiu kraujo ir smegenų barjeru (KSB).

Šis reikšmingas proveržis, paskelbtas žurnale „Cell Stem Cell“, žada paspartinti įvairių smegenų ligų, įskaitant insultą, smegenų kraujagyslių ligas, smegenų vėžį, Alzheimerio ligą, Huntingtono ligą, Parkinsono ligą ir kitas neurodegeneracines ligas, supratimą ir gydymo būdus.

„Autentiško žmogaus BBB modelio trūkumas buvo pagrindinė kliūtis tiriant neurologines ligas“, – teigė pagrindinis tyrimo autorius dr. Ziyuan Guo.

„Mūsų proveržis susijęs su žmogaus BBB organoidų generavimu iš žmogaus pluripotentinių kamieninių ląstelių, imituojant žmogaus neurovaskulinį vystymąsi, siekiant sukurti tikslų barjero vaizdą augančiame, funkcionuojančiame smegenų audinyje. Tai svarbus žingsnis į priekį, nes šiuo metu naudojami gyvūnų modeliai netiksliai atspindi žmogaus smegenų vystymąsi ir BBB funkcionalumą.“

Kas yra kraujo ir smegenų barjeras?

Skirtingai nuo likusios mūsų kūno dalies, smegenų kraujagyslės turi papildomą sandariai supakuotų ląstelių sluoksnį, kuris smarkiai riboja molekulių, galinčių patekti iš kraujotakos į centrinę nervų sistemą (CNS), dydį.

Tinkamai veikiantis barjeras palaiko smegenų sveikatą, nes neleidžia patekti kenksmingoms medžiagoms ir kartu leidžia gyvybiškai svarbioms maistinėms medžiagoms pasiekti smegenis. Tačiau tas pats barjeras taip pat neleidžia patekti daugeliui potencialiai naudingų vaistų. Be to, kai smegenų barjeras nesusiformuoja tinkamai arba pradeda irti, atsiranda arba paūmėja keli neurologiniai sutrikimai.

Dėl didelių skirtumų tarp žmonių ir gyvūnų smegenų daugelis perspektyvių naujų vaistų, sukurtų naudojant gyvūnų modelius, vėliau nepateisina lūkesčių, kai jie išbandomi su žmonėmis.

„Dabar, pasitelkdami kamieninių ląstelių bioinžineriją, sukūrėme novatorišką žmogaus kamieninėmis ląstelėmis pagrįstą platformą, leidžiančią mums tirti sudėtingus mechanizmus, kurie reguliuoja BBB funkciją ir disfunkciją. Tai suteikia precedento neturinčias galimybes vaistų atradimui ir terapinėms intervencijoms“, – sako Guo.

Ilgalaikės problemos įveikimas

Visame pasaulyje tyrėjų komandos lenktyniauja kurdamos smegenų organoidus – mažytes, augančias 3D struktūras, kurios imituoja ankstyvuosius smegenų formavimosi etapus. Skirtingai nuo plokščiame laboratoriniame inde auginamų ląstelių, organoidinės ląstelės yra sujungtos viena su kita. Jos pačios organizuojasi į sferines formas ir „kalbasi“ viena su kita, kaip ir žmogaus ląstelės embriono vystymosi metu.

„Cincinnati Children's“ pirmauja kuriant kitų tipų organoidus, įskaitant pirmuosius pasaulyje funkcionalius žarnyno, skrandžio ir stemplės organoidus. Tačiau iki šiol jokiam tyrimų centrui nepavyko sukurti smegenų organoido, kuriame būtų specialus barjerinis sluoksnis, randamas žmogaus smegenų kraujagyslėse.

Mes juos vadiname naujais modeliais „BBB ambleloidais“.

Mokslininkų komanda savo naująjį modelį pavadino „BBB asembloidais“. Jų pavadinimas atspindi pasiekimą, kuris leido pasiekti šį proveržį. Šie asembloidai sujungia dviejų skirtingų tipų organoidus: smegenų organoidus, kurie atkartoja žmogaus smegenų audinį, ir kraujagyslių organoidus, kurie imituoja kraujagyslių struktūras.

Sujungimo procesas prasidėjo nuo 3–4 milimetrų skersmens smegenų organoidų ir apie 1 milimetro skersmens kraujagyslių organoidų. Maždaug per mėnesį šios atskiros struktūros susiliejo į vieną kiek daugiau nei 4 milimetrų skersmens sferą (apie 1/8 colio arba maždaug sezamo sėklos dydžio).

Paveikslėlio aprašymas: dviejų tipų organoidų suliejimo procesas, siekiant sukurti žmogaus smegenų organoidą, apimantį kraujo ir smegenų barjerą. Šaltinis: Cincinnati Children's and Cell Stem Cell.

Šie integruoti organoidai atkuria daugelį sudėtingų neurovaskulinių sąveikų, stebimų žmogaus smegenyse, tačiau jie nėra išsamūs smegenų modeliai. Pavyzdžiui, audinyje nėra imuninių ląstelių ir jis neturi jokių ryšių su likusia kūno nervų sistema.

Sinsinačio vaikų tyrimų komandos pasiekė kitų pažangų suliedamos ir sluoksniuodamos skirtingų ląstelių tipų organoidus, kad sukurtų sudėtingesnius „naujos kartos organoidus“. Šie pasiekimai padėjo informuoti apie naujus smegenų organoidų kūrimo darbus.

Svarbu tai, kad BBB rinkinius galima auginti naudojant neurotipines žmogaus kamienines ląsteles arba kamienines ląsteles iš žmonių, sergančių tam tikromis smegenų ligomis, taip atspindint genų variantus ir kitas būkles, kurios gali sutrikdyti kraujo ir smegenų barjero funkciją.

Pradinis koncepcijos įrodymas

Siekdama parodyti naujųjų asemblidų potencialų naudingumą, tyrėjų komanda panaudojo iš pacientų gautų kamieninių ląstelių liniją, kad sukurtų asemblidus, kurie tiksliai atkartotų pagrindinius retos smegenų būklės, vadinamos smegenų kavernozine malformacija, požymius.

Šis genetinis sutrikimas, kuriam būdingas kraujo ir smegenų barjero vientisumo pažeidimas, sukelia nenormalių kraujagyslių sankaupas smegenyse, kurios savo išvaizda dažnai primena avietes. Šis sutrikimas žymiai padidina insulto riziką.

„Mūsų modelis tiksliai pakartojo ligos fenotipą, suteikdamas naujų įžvalgų apie smegenų kraujagyslių ligų molekulinę ir ląstelinę patologiją“, – sako Guo.

Galimos taikymo sritys

Bendraautoriai mato įvairias galimas BBB mazgų taikymo sritis:

• Asmeninis vaistų patikrinimas: iš pacientų gauti BBB rinkiniai gali būti naudojami kaip avatarai, pritaikyti terapiją pacientams pagal jų unikalius genetinius ir molekulinius profilius.
• Ligų modeliavimas: daugeliui neurovaskulinių sutrikimų, įskaitant retas ir genetiškai sudėtingas būkles, trūksta gerų modelių sistemų tyrimams. Sėkmė kuriant BBB junginius galėtų paspartinti žmogaus smegenų audinių modelių, skirtų platesniam būklių spektrui, kūrimą.
• Didelio našumo vaistų atradimas: Padidinus asembloidų gamybą, būtų galima tiksliau ir greičiau išanalizuoti, ar potencialūs smegenų vaistai gali veiksmingai prasiskverbti pro smegenų barjerą.
• Aplinkos toksinų tyrimai: dažnai pagrįsti gyvūnų modelių sistemomis, BBB rinkiniai gali padėti įvertinti aplinkos teršalų, vaistų ir kitų cheminių junginių toksinį poveikį.
• Imunoterapijos kūrimas: tiriant BBB vaidmenį neurouždegiminėse ir neurodegeneracinėse ligose, nauji junginiai gali padėti imuninės terapijos tiekimui į smegenis.
• Bioinžinerijos ir biomedžiagų tyrimai: Biomedicinos inžinieriai ir medžiagų mokslininkai gali pasinaudoti laboratorinio BBB modelio prieinamumu, kad išbandytų naujas biomedžiagas, vaistų tiekimo priemones ir audinių inžinerijos strategijas.

„Apskritai BBB mazgai yra revoliucinė technologija, turinti didelę įtaką neurologijos, vaistų atradimo ir personalizuotos medicinos sritims“, – sako Guo.