Como as barreiras de segurança do aeroporto que liberam viajantes autorizados ou impedem que viajantes não autorizados e suas bagagens acessem as áreas centrais de operação, a barreira hematoencefálica (BBB) ​​controla rigidamente o transporte de nutrientes essenciais e metabólitos de energia para o cérebro e afasta substâncias indesejadas que circulam na corrente sanguínea. Mais importante, sua estrutura altamente organizada de vasos sanguíneos finos e células de suporte também é o principal obstáculo que impede que medicamentos que salvam vidas cheguem ao cérebro para tratar o câncer de forma eficaz, neurodegeneração, e outras doenças do sistema nervoso central. Em uma série de doenças cerebrais, o BBB também pode quebrar localmente, causando substâncias neurotóxicas, células sanguíneas e patógenos vazam para o cérebro e causam estragos irreparáveis.

Para estudar o BBB e o transporte de drogas nele, os pesquisadores confiaram principalmente em modelos animais, como camundongos. Contudo, as funções precisas de composição e transporte de BHE nesses modelos podem diferir significativamente daquelas em pacientes humanos, o que os torna pouco confiáveis ​​para a previsão da entrega de drogas e eficácias terapêuticas. Além disso, os modelos in vitro que tentam recriar a BBB humana usando células derivadas do tecido cerebral primário, até agora, não foram capazes de imitar a barreira física da BBB, funções de transporte, e atividades de transporte de drogas e anticorpos próximos o suficiente para serem úteis como ferramentas de desenvolvimento terapêutico.

Agora, uma equipe liderada por Donald Ingber, M.D., Ph.D. no Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard superou essas limitações alavancando sua tecnologia microfluídica Organs-on-Chips (Organ Chips) em combinação com uma abordagem de simulação de hipóxia inspirada no desenvolvimento para diferenciar células-tronco pluripotentes humanas (iPS) em células endoteliais microvasculares cerebrais células (BMVECs). O 'Chip BBB aprimorado por hipóxia' resultante recapitula a organização celular, funções de barreira rígida e habilidades de transporte do BBB humano; e permite o transporte de drogas e anticorpos terapêuticos de uma forma que imita mais de perto o transporte através da BBB in vivo do que os sistemas in vitro existentes. Seu estudo é relatado em Nature Communications .

"Nossa abordagem para modelar o transporte de drogas e anticorpos através da BBB humana in vitro com 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 atende a uma necessidade crítica em programas de desenvolvimento de medicamentos em todo o mundo farmacêutico e de biotecnologia que agora pretendemos ajudar a superar com um dedicado 'Programa de Transporte de Barreiras Sanguíneas' no Wyss Institute usando nosso talento único e recursos. "Ingber também é o Professor Judah Folkman de Biologia Vascular no HMS e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia no SEAS.

A BBB consiste em vasos sanguíneos capilares finos formados por BMVECs, células multifuncionais conhecidas como pericitos que se enrolam na parte externa dos vasos, e astrócitos em forma de estrela, que são células cerebrais não neuronais que também entram em contato com os vasos sanguíneos com processos semelhantes aos dos pés. Na presença de pericitos e astrócitos, As células endoteliais podem gerar a barreira hermeticamente fechada da parede do vaso típica da BBB humana.

A equipe de Ingber primeiro diferenciou as células iPS humanas em células endoteliais do cérebro na placa de cultura usando um método que havia sido desenvolvido anteriormente pelo co-autor Eric Shusta, Ph.D., Professor de Engenharia Química e Biológica da University of Wisconsin-Madison, mas com o poder adicional da bioinspiração. "Porque no embrião, a BBB se forma em condições de baixo oxigênio (hipóxia), diferenciamos as células iPS por um longo tempo em uma atmosfera com apenas 5% em vez da concentração normal de oxigênio de 20%, "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 BMVECs gerados em condições normais de oxigênio. ”Park foi um 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 humano BBB anterior, Em seguida, os pesquisadores transferiram os BMVECs humanos induzidos por hipóxia para um dos dois canais paralelos de um dispositivo microfluídico Organ-on-Chip que é dividido por uma membrana porosa e continuamente perfundido com o meio. O outro canal era povoado por uma mistura de pericitos cerebrais humanos primários e astrócitos. Após um dia adicional de tratamento de hipóxia, o chip humano BBB pode ser mantido de forma estável por pelo menos 14 dias em concentrações normais de oxigênio, que é muito mais longo do que modelos de BBB humanos in vitro experimentados no passado.

Sob a tensão de cisalhamento dos fluidos que perfundem o Chip BBB, os BMVECs passam a formar um vaso sanguíneo, e desenvolver uma interface densa com pericitos alinhados com eles no outro lado da membrana porosa, bem como com astrócitos que estendem processos em direção a eles através de pequenas aberturas na membrana. "A morfologia distinta da BBB projetada é paralela à formação de uma barreira mais estreita contendo números elevados de transporte seletivo e sistemas de transporte de drogas em comparação com BBBs de controle que geramos sem hipóxia ou estresse de cisalhamento de fluido, ou com endotélio derivado do cérebro adulto em vez de células iPS, "disse Nur Mustafaoglu, Ph.D., co-primeiro autor do estudo e Pós-doutorado trabalhando na equipe de Ingber. "Além disso, poderíamos emular os efeitos das estratégias de tratamento em pacientes na clínica. Por exemplo, abrimos reversivelmente o BBB por um curto período de tempo, aumentando a concentração de um soluto de manitol [osmolaridade] para permitir a passagem de grandes drogas como o anticorpo anticâncer Cetuximab. "

Para fornecer uma prova adicional de que o Chip BBB humano com hipoxia pode ser utilizado como uma ferramenta eficaz para estudar a administração de drogas ao cérebro, a equipe investigou uma série de mecanismos de transporte que evitam que as drogas atinjam seus alvos no cérebro, bombeando-as de volta para a corrente sanguínea (efluxo), ou aquilo, em contraste, permitem o transporte seletivo de nutrientes e drogas através da BBB (transcitose).

"Quando bloqueamos especificamente a função de P-gp, uma bomba de efluxo endotelial chave, poderíamos aumentar substancialmente o transporte da droga anticâncer doxorrubicina do canal vascular para o canal do cérebro, 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, desenvolvedores de drogas estão tentando aproveitar a 'transcitose mediada por receptor' como um veículo para transportar nanopartículas carregadas de drogas, drogas químicas e proteicas maiores, bem como anticorpos terapêuticos em toda a BBB. "O Chip BBB humano aprimorado por hipóxia recapitula a função das vias críticas de transcitose, como aqueles usados ​​pelo LRP-1 e receptores de transferrina responsáveis ​​por absorver lipoproteínas vitais e ferro do sangue circulante e liberá-los no cérebro do outro lado da BBB. Ao aproveitar esses receptores usando diferentes estratégias pré-clínicas, podemos imitar fielmente o transporte previamente demonstrado de anticorpos terapêuticos que têm como alvo os receptores de transferrina in vivo, enquanto mantém a integridade do BBB in vitro, "disse Mustafaoglu.

Com base nessas descobertas, o Wyss Institute iniciou um 'Programa de Transporte de Barreira Sangue-Encefálica'. "Inicialmente, o Programa de Transporte BBB visa descobrir novos alvos de transporte que são enriquecidos na superfície vascular BMVEC, usando a nova transcriptômica, proteômica, e abordagens de células iPS. Em paralelo, estamos desenvolvendo transporte de anticorpos totalmente humanos dirigidos contra alvos de transporte conhecidos com capacidades aprimoradas de direcionamento ao cérebro, "disse James Gorman, M.D., Ph.D., o Líder de Equipe do Programa de Transporte BBB trabalhando com Ingber. "Nosso objetivo é colaborar com vários parceiros biofarmacêuticos em uma relação pré-competitiva para desenvolver ônibus que oferecem eficácia excepcional e flexibilidade de engenharia para incorporação em drogas de anticorpos e proteínas, porque isso é tão necessário dos pacientes e de todo o campo ".

Os autores pensam que, além dos estudos de desenvolvimento de drogas, o Chip BBB humano aprimorado por hipóxia também pode ser usado para modelar aspectos de doenças cerebrais que afetam a BBB, como a doença de Alzheimer e Parkinson, e abordagens avançadas de medicina personalizada usando células iPS derivadas de pacientes.