增強型人體血腦屏障芯片可在體內進行藥物和抗體轉運

就像機場安全屏障要么清除授權旅行者或阻止未經(jīng)授權的旅行者和他們的行李進入中央操作區(qū)域，血腦屏障(BBB)嚴格控制必需營養(yǎng)素和能量代謝物進入大腦并阻止不需要的物質循環(huán)在血液中。重要的是，它是高度有組織的薄血管和支持細胞結構，也是阻止拯救生命的藥物到達大腦以有效治療癌癥，神經(jīng)變性和其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的主要障礙。在許多腦部疾病中，BBB也會局部分解，導致神經(jīng)毒性物質，血細胞和病原體泄漏到大腦中并造成無法挽回的破壞。

為了研究BBB和藥物轉運，研究人員主要依靠動物模型，如小鼠。然而，BBB在這些模型中的精確構成和運輸功能可能與人類患者中的顯著不同，這使得它們對于藥物遞送和治療功效的預測是不可靠的。迄今為止，嘗試使用原代腦組織衍生細胞重建人BBB的體外模型還不能足夠模擬BBB的物理屏障，運輸功能以及藥物和抗體穿梭活動，以用作治療開發(fā)工具。

現(xiàn)在，由Donald Ingber，醫(yī)學博士，博士領導的團隊。在哈佛大學的Wyss生物啟發(fā)工程研究所通過利用其微流體器官芯片(器官芯片)技術結合發(fā)育啟發(fā)的缺氧模擬方法將人多能干(iPS)細胞分化為腦微血管內皮細胞，克服了這些局限性細胞(BMVECs)。由此產生的“缺氧增強的BBB芯片”概括了人類BBB的細胞組織，緊密屏障功能和運輸能力; 并且它允許以比現(xiàn)有體外系統(tǒng)更接近地模擬體內BBB轉運的方式運輸藥物和治療性抗體。他們的研究在Nature Communications報道。

Wyss Institute創(chuàng)始總監(jiān)Ingber表示：“我們在體外以足夠高的前所未有的保真度對人體BBB中的藥物和抗體穿梭進行建模的方法在現(xiàn)有能力方面取得了重大進展。” “它解決了整個制藥和生物技術領域藥物開發(fā)計劃的迫切需求，我們現(xiàn)在的目標是利用我們獨特的人才和資源，在Wyss研究所幫助克服專門的'血腦障礙運輸計劃'。” Ingber還是HMS的Judah Folkman血管生物學教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學項目，以及SEAS的生物工程教授。

BBB由BMVEC形成的薄毛細血管，稱為周細胞的多功能細胞包裹在血管外部，以及星形星形膠質細胞，這些非神經(jīng)元腦細胞也通過腳狀過程接觸血管。在周細胞和星形膠質細胞的存在下，內皮細胞可以產生典型的人BBB的緊密密封的血管壁屏障。

Ingber的團隊首先使用一種方法將人類iPS細胞分化為培養(yǎng)皿中的腦內皮細胞，該方法之前由威斯康星大學麥迪遜分校的化學和生物工程教授Eric Shusta博士開發(fā)。生物吸入的附加力量。“因為在胚胎中，BBB在低氧條件下(缺氧)形成，我們在僅僅5%而不是正常20%氧氣濃度的大氣中長時間分化iPS細胞，”共同第一作者Tae-說。 Eun Park，Ph.D。“因此，iPS細胞啟動了一個與胚胎非常相似的發(fā)育計劃，產生的BMVEC表現(xiàn)出比正常氧氣條件下產生的BMVEC更高的功能。” Park是Ingber的博士后研究員

研究人員在先前的人類BBB模型的基礎上，將缺氧誘導的人類BMVEC轉移到微流體器官芯片裝置的兩個平行通道之一中，該裝置被多孔膜分開并連續(xù)灌注培養(yǎng)基。另一個通道填充了原始人腦周細胞和星形膠質細胞的混合物。在額外一天的缺氧處理后，人BBB芯片可以在正常氧濃度下穩(wěn)定維持至少14天，這遠遠超過過去嘗試的過去體外人BBB模型。

在灌注BBB芯片的流體的剪切應力下，BMVEC繼續(xù)形成血管，并在多孔膜的另一側與周細胞對齊形成密集界面，以及星形膠質細胞向它們延伸過程通過膜上的小開口。“與我們在沒有缺氧或流體切應力的情況下產生的對照BBB相比，或者與成人大腦來源的內皮代替的相比，工程化BBB的獨特形態(tài)與形成更緊密的屏障(包含更多數(shù)量的選擇性轉運和藥物穿梭系統(tǒng))相對應。 iPS細胞，“Nur Mustafaoglu博士，該研究的共同第一作者和Ingber團隊的博士后研究員。“此外，我們可以模仿臨床患者的治療策略效果。

為了提供額外的證據(jù)，證明缺氧增強的人類BBB芯片可以用作研究向大腦輸送藥物的有效工具，該團隊研究了一系列運輸機制，這些機制可以阻止藥物通過泵送回到大腦中的目標進入血流(流出)，或相反，允許營養(yǎng)物和藥物選擇性地運輸穿過BBB(轉胞吞作用)。

“當我們特異性地阻斷P-gp(一種關鍵的內皮外排泵)的功能時，我們可以大大增加抗癌藥物多柔比星從血管通道到腦通道的轉運，這與人類患者觀察到的非常相似。，“帕克說。“因此，我們的體外系統(tǒng)可用于確定減少外排的新方法，從而促進藥物在未來進入大腦。”

在另一個場所，藥物開發(fā)商正在嘗試利用“受體介導的轉胞吞作用”作為穿越藥物負載的納米粒子，更大的化學和蛋白質藥物以及整個BBB的治療性抗體的載體。“缺氧增強的人類BBB芯片概括了關鍵轉胞吞途徑的功能，例如LRP-1和轉鐵蛋白受體使用的那些，它們負責從循環(huán)血液中攝取重要的脂蛋白和鐵，并將它們釋放到大腦的另一側。 BBB。通過利用不同的臨床前策略利用這些受體，我們可以忠實地模仿先前在體內靶向轉鐵蛋白受體的治療性抗體的穿梭，同時保持體外BBB的完整性，“Mustafaoglu說。

基于這些發(fā)現(xiàn)，Wyss研究所啟動了“血腦障礙運輸計劃”。“最初，BBB運輸計劃旨在利用新型轉錄組學，蛋白質組學和iPS細胞方法發(fā)現(xiàn)富含BMVEC血管表面的新穿梭靶標。同時，我們正在開發(fā)針對已知穿梭靶標的全人類抗體穿梭機大腦定位能力，“與Ingber合作的BBB運輸計劃的工作負責人James Gorman博士說。“我們的目標是與競爭前關系中的多個生物制藥合作伙伴合作，開發(fā)出具有卓越功效和工程靈活性的梭子，用于摻入抗體和蛋白質藥物，因為這是患者和整個領域急需的”。

作者認為，除藥物開發(fā)研究外，缺氧增強型人BBB芯片還可用于模擬影響B(tài)BB 的腦疾病方面，如阿爾茨海默氏癥和帕金森病，以及通過使用患者衍生的高級個性化醫(yī)療方法iPS細胞。