Al igual que las barreras de seguridad del aeropuerto que eliminan a los viajeros autorizados o impiden que los viajeros no autorizados y su equipaje accedan a las áreas centrales de operación, la barrera hematoencefálica BBB controla estrictamente el transporte de nutrientes esenciales y metabolitos de energía al cerebro y evita los movimientos no deseadossustancias que circulan en el torrente sanguíneo. Es importante destacar que su estructura altamente organizada de vasos sanguíneos delgados y células de soporte es también el principal obstáculo que impide que los medicamentos que salvan vidas lleguen al cerebro para tratar eficazmente el cáncer, la neurodegeneración y otras enfermedades del sistema nervioso central.sistema. En una serie de enfermedades cerebrales, el BBB también puede descomponerse localmente, causando que sustancias neurotóxicas, células sanguíneas y patógenos se filtren en el cerebro y causen estragos irreparables.
Para estudiar el BBB y el transporte de drogas a través de él, los investigadores se han basado principalmente en modelos animales como los ratones. Sin embargo, las funciones precisas de maquillaje y transporte de los BBB en esos modelos pueden diferir significativamente de las de los pacientes humanos, lo que hace queno son confiables para la predicción de la administración de fármacos y la eficacia terapéutica.También los modelos in vitro que intentan recrear el BBB humano utilizando células derivadas de tejido cerebral primario hasta ahora no han podido imitar la barrera física, las funciones de transporte y el traslado de fármacos y anticuerpos del BBB.actividades lo suficientemente cercanas como para ser útiles como herramientas de desarrollo terapéutico.
Ahora, un equipo liderado por Donald Ingber, MD, Ph.D. en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard ha superado estas limitaciones al aprovechar su tecnología microfluídica de órganos en chips chips de órganos en combinación con una tecnología inspirada en el desarrolloEnfoque que simula hipoxia para diferenciar las células madre pluripotentes humanas iPS en células endoteliales microvasculares cerebrales BMVEC. La resultante 'Chip BBB mejorado con hipoxia' recapitula la organización celular, las funciones de barrera estrecha y las capacidades de transporte del BBB humano; y permitetransporte de fármacos y anticuerpos terapéuticos de una manera que imita más estrechamente el transporte a través del BBB in vivo que los sistemas in vitro existentes. Su estudio se informa en Comunicaciones de la naturaleza .
"Nuestro enfoque para modelar el traslado de drogas y anticuerpos a través del BBB humano in vitro con una fidelidad tan alta y sin precedentes presenta un avance significativo sobre las capacidades existentes en esta área de investigación enormemente desafiante", dijo Ingber, Director Fundador del Instituto Wyss ".Necesidad en los programas de desarrollo de medicamentos en todo el mundo farmacéutico y biotecnológico que ahora pretendemos ayudar a superar con un 'Programa de transporte de barrera hematoencefálica' dedicado en el Instituto Wyss utilizando nuestro talento y recursos únicos. "Ingber es también el profesor de vascular de Judah FolkmanBiología en HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como profesor de bioingeniería en SEAS.
El BBB consiste en vasos sanguíneos capilares delgados formados por BMVEC, células multifuncionales conocidas como pericitos que se envuelven alrededor de los vasos y astrocitos en forma de estrella, que son células cerebrales no neuronales que también contactan los vasos sanguíneos con los pies.procesos similares. En presencia de pericitos y astrocitos, las células endoteliales pueden generar la barrera de la pared del vaso herméticamente sellada típica del BBB humano.
El equipo de Ingber primero diferenciaba las células iPS humanas de las células endoteliales del cerebro en la placa de cultivo usando un método que había sido desarrollado previamente por el coautor Eric Shusta, Ph.D., Profesor de Ingeniería Química y Biológica en la Universidad de Wisconsin-Madison,pero con el poder adicional de la bioinspiración ". Debido a que en el embrión, el BBB se forma bajo condiciones de bajo oxígeno hipoxia, diferenciamos las células iPS por un tiempo prolongado en una atmósfera con solo 5% en lugar de la concentración normal de oxígeno del 20%,"dijo el coprimer autor Tae-Eun Park, Ph.D." Como resultado, las células iPS iniciaron un programa de desarrollo muy similar al del embrión, produciendo BMVEC que exhibían una mayor funcionalidad que los BMVEC generados en condiciones normales de oxígeno ".Park fue becario postdoctoral en el equipo de Ingber y ahora es profesor asistente en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan en la República de Corea.
Basándose en un modelo BBB humano anterior, los investigadores luego transfirieron los BMVEC humanos inducidos por la hipoxia a uno de los dos canales paralelos de un dispositivo microfluídico Organ-on-Chip que se divide por una membrana porosa y se perfunde continuamente con medio. El otroel canal se pobló con una mezcla de pericitos y astrocitos cerebrales humanos primarios Después de un día adicional de tratamiento de hipoxia, el chip BBB humano podría mantenerse estable durante al menos 14 días a concentraciones normales de oxígeno, que es mucho más largo que el BBB humano in vitro anteriormodelos intentados en el pasado
Bajo el esfuerzo cortante de los fluidos que perfunden el chip BBB, los BMVEC forman un vaso sanguíneo y desarrollan una interfaz densa con pericitos que se alinean con ellos en el otro lado de la membrana porosa, así como con procesos de extensión de astrocitoshacia ellos a través de pequeñas aberturas en la membrana ". La morfología distintiva del BBB diseñado es paralela a la formación de una barrera más fuerte que contiene un número elevado de sistemas de transporte selectivo y transporte de drogas en comparación con los BBB de control que generamos sin hipoxia o estrés por cizallamiento de fluidos,o con endotelio derivado del cerebro adulto en lugar de células iPS ", dijo Nur Mustafaoglu, Ph.D., coautor del estudio y becario postdoctoral que trabaja en el equipo de Ingber." Además, podríamos emular los efectos de las estrategias de tratamiento en pacientesen la clínica Por ejemplo, abrimos reversiblemente el BBB por un corto tiempo al aumentar la concentración de un soluto de manitol [osmolaridad] para permitir el paso de drogas grandes comoe anticuerpo anticancerígeno Cetuximab ".
El equipo investigó una serie de mecanismos de transporte que evitan que las drogas alcancen sus objetivos en el cerebro mediante bombeo para proporcionar pruebas adicionales de que el chip BBB humano mejorado con hipoxia puede utilizarse como una herramienta efectiva para estudiar la administración de medicamentos al cerebrolos devuelve al torrente sanguíneo eflujo, o eso, por el contrario, permite el transporte selectivo de nutrientes y medicamentos a través del BBB transcitosis.
"Cuando bloqueamos específicamente la función de P-gp, una bomba de flujo de salida endotelial clave, podríamos aumentar sustancialmente el transporte del medicamento contra el cáncer doxorrubicina desde el canal vascular al canal cerebral, de manera muy similar a lo que se ha observado enpacientes humanos ", dijo Park." Por lo tanto, nuestro sistema in vitro podría usarse para identificar nuevos enfoques para reducir el flujo de salida y así facilitar el transporte de drogas al cerebro en el futuro ".
En otro lugar, los desarrolladores de medicamentos están tratando de aprovechar la 'transcitosis mediada por receptor' como un vehículo para transportar nanopartículas cargadas de medicamentos, medicamentos químicos y proteicos más grandes, así como anticuerpos terapéuticos en el BBB ". El BBB humano mejorado con hipoxiaChip recapitula la función de las vías críticas de transcitosis, como las utilizadas por el LRP-1 y los receptores de transferrina responsables de absorber las lipoproteínas vitales y el hierro de la sangre circulante y liberarlos en el cerebro al otro lado del BBB.usando diferentes estrategias preclínicas, podemos imitar fielmente el traslado previamente demostrado de anticuerpos terapéuticos que se dirigen a los receptores de transferrina in vivo, mientras mantenemos la integridad del BBB in vitro ", dijo Mustafaoglu.
En base a estos hallazgos, el Instituto Wyss ha iniciado un 'Programa de transporte de barrera hematoencefálica'. "Inicialmente, el Programa de transporte BBB tiene como objetivo descubrir nuevos objetivos de lanzadera que se enriquecen en la superficie vascular BMVEC, utilizando nuevos transcriptómica, proteómica,y enfoques de células iPS. En paralelo, estamos desarrollando lanzaderas de anticuerpos totalmente humanos dirigidas contra objetivos de lanzadera conocidos con capacidades mejoradas de selección de objetivos cerebrales ", dijo James Gorman, MD, Ph.D., Jefe de Personal del Programa de Transporte BBB que trabaja con Ingber"Nuestro objetivo es colaborar con múltiples socios biofarmacéuticos en una relación precompetitiva para desarrollar lanzaderas que ofrezcan una eficacia excepcional y flexibilidad de ingeniería para la incorporación a los fármacos de anticuerpos y proteínas, porque esto es muy necesario para los pacientes y todo el campo".
Los autores piensan que, además de los estudios de desarrollo de fármacos, el chip BBB humano mejorado con hipoxia también se puede utilizar para modelar aspectos de enfermedades cerebrales que afectan el BBB, como la enfermedad de Alzheimer y Parkinson, y para enfoques avanzados de medicina personalizada mediante el uso del pacientederivadas de células iPS.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Benjamin Boettner. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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