增強型人體血腦屏障芯片可在體內(nèi)進行藥物和抗體轉(zhuǎn)運

就像機場安全屏障要么清除授權(quán)旅行者或阻止未經(jīng)授權(quán)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(zhì)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(jié)構(gòu)，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(zhì)，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(zhuǎn)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(gòu)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(shù)結(jié)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(nèi)皮細胞，克服了這些局限性細胞(BMVECs)。由此產(chǎn)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(nèi)BBB轉(zhuǎn)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(shù)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(zhì)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(zhì)細胞的存在下，內(nèi)皮細胞可以產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)生的BMVEC表現(xiàn)出比正常氧氣條件下產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhì)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(cè)與周細胞對齊形成密集界面，以及星形膠質(zhì)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(chǎn)生的對照BBB相比，或者與成人大腦來源的內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)胞吞作用)。

“當我們特異性地阻斷P-gp(一種關鍵的內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)胞吞途徑的功能，例如LRP-1和轉(zhuǎn)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(cè)。 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(nèi)靶向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄組學，蛋白質(zhì)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(zhì)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。