Byl vytvořen první lidský mini mozek s funkční hematoencefalickou bariérou.

Nový výzkum týmu vedeného odborníky z dětské nemocnice v Cincinnati vedl k vytvoření prvního lidského minimozku na světě s plně funkční hematoencefalickou bariérou (HEB).

Tento významný průlom, publikovaný v časopise Cell Stem Cell, slibuje urychlení porozumění a zlepšení léčby široké škály mozkových onemocnění, včetně mrtvice, cerebrovaskulárních onemocnění, rakoviny mozku, Alzheimerovy choroby, Huntingtonovy choroby, Parkinsonovy choroby a dalších neurodegenerativních onemocnění.

„Absence autentického modelu lidské hematoencefalické bariéry (HBB) byla hlavní překážkou při studiu neurologických onemocnění,“ uvedl hlavní autor studie Dr. Ziyuan Guo.

„Náš průlom spočívá v generování organoidů lidské BBB z lidských pluripotentních kmenových buněk, které napodobují lidský neurovaskulární vývoj a vytvářejí tak přesnou reprezentaci bariéry v rostoucí a fungující mozkové tkáni. To je důležitý pokrok, protože zvířecí modely, které v současnosti používáme, přesně neodrážejí vývoj lidského mozku a funkčnost BBB.“

Co je hematoencefalická bariéra?

Na rozdíl od zbytku našeho těla mají cévy v mozku další vrstvu hustě uspořádaných buněk, která výrazně omezuje velikost molekul, které mohou procházet z krevního oběhu do centrálního nervového systému (CNS).

Správně fungující bariéra udržuje mozek zdravý tím, že brání vstupu škodlivých látek a zároveň umožňuje přístup životně důležitým živinám. Stejná bariéra však také brání vstupu mnoha potenciálně prospěšných léků do mozku. Kromě toho, když se hematoencefalická bariéra (HBB) netvoří správně nebo se začíná rozpadat, vzniká nebo zhoršuje několik neurologických poruch.

Významné rozdíly mezi lidským a zvířecím mozkem znamenaly, že mnoho slibných nových léků vyvinutých na zvířecích modelech později při testování na lidech nesplňuje očekávání.

„Nyní jsme prostřednictvím bioinženýrství kmenových buněk vyvinuli inovativní platformu založenou na lidských kmenových buňkách, která nám umožňuje studovat komplexní mechanismy řídící funkci a dysfunkci hematopoetické bariéry (HBB). To poskytuje nebývalé příležitosti pro objevování léků a terapeutické intervence,“ říká Guo.

Překonání dlouhodobého problému

Výzkumné týmy po celém světě se předhánějí ve vývoji mozkových organoidů – drobných, rostoucích 3D struktur, které napodobují raná stádia formování mozku. Na rozdíl od buněk pěstovaných v ploché laboratorní misce jsou organoidní buňky vzájemně propojeny. Samoorganizují se do kulovitých tvarů a „komunikují“ spolu, stejně jako lidské buňky během embryonálního vývoje.

Dětská nemocnice v Cincinnati je lídrem ve vývoji dalších typů organoidů, včetně prvních funkčních střevních, žaludečních a jícnových organoidů na světě. Doposud se však žádnému výzkumnému centru nepodařilo vytvořit mozkový organoid, který by obsahoval speciální bariérovou vrstvu nacházející se v cévách lidského mozku.

Říkáme jim nové modely „BBB assembloidy“.

Výzkumný tým nazval svůj nový model „BBB asembloidy“. Jejich název odráží úspěch, který tento průlom umožnil. Tyto asembloidy kombinují dva různé typy organoidů: mozkové organoidy, které replikují lidskou mozkovou tkáň, a cévní organoidy, které napodobují cévní struktury.

Proces spojování začal s mozkovými organoidy o průměru 3-4 milimetry a cévními organoidy o průměru asi 1 milimetr. Během zhruba měsíce se tyto oddělené struktury sloučily do jedné koule o průměru něco málo přes 4 milimetry (asi 1/8 palce, neboli zhruba o velikosti sezamového semínka).

Popis obrázku: Proces fúze dvou typů organoidů za účelem vytvoření organoidu lidského mozku, který zahrnuje hematoencefalickou bariéru. Zdroj: Cincinnati Children's and Cell Stem Cell.

Tyto integrované organoidy znovu napodobují mnoho komplexních neurovaskulárních interakcí pozorovaných v lidském mozku, ale nejedná se o kompletní modely mozku. Například tkáň neobsahuje imunitní buňky a nemá žádné spojení se zbytkem nervového systému těla.

Výzkumné týmy z Dětské nemocnice v Cincinnati dosáhly dalších pokroků ve fúzi a vrstvení organoidů z různých typů buněk za účelem vytvoření složitějších „organoidů nové generace“. Tyto pokroky pomohly informovat o nové práci na vytváření mozkových organoidů.

Důležité je, že sestavy hematoencefalické bariéry (BBB) lze pěstovat s použitím neurotypických lidských kmenových buněk nebo kmenových buněk od lidí s určitými mozkovými onemocněními, což odráží genové varianty a další stavy, které mohou vést k narušení funkce hematoencefalické bariéry.

Počáteční ověření konceptu

Aby výzkumný tým demonstroval potenciální využití nových asembloidů, použil linii kmenových buněk odvozených od pacientů k vytvoření asembloidů, které přesně reprodukují klíčové rysy vzácného onemocnění mozku zvaného kavernózní malformace mozku.

Tato genetická porucha, charakterizovaná narušením integrity hematoencefalické bariéry, vede ke vzniku shluků abnormálních krevních cév v mozku, které svým vzhledem často připomínají maliny. Porucha významně zvyšuje riziko mrtvice.

„Náš model přesně rekapituloval fenotyp onemocnění a poskytl nové poznatky o molekulární a buněčné patologii cerebrovaskulárních onemocnění,“ říká Guo.

Potenciální aplikace

Spoluautoři vidí řadu potenciálních aplikací pro sestavy BBB:

• Personalizovaný screening léků: Sestavy BBB odvozené od pacienta mohou sloužit jako avatary pro přizpůsobení terapie pacientům na základě jejich jedinečných genetických a molekulárních profilů.
• Modelování onemocnění: Pro řadu neurovaskulárních poruch, včetně vzácných a geneticky složitých stavů, chybí dobré modelové systémy pro výzkum. Úspěch při vytváření sestav BBB by mohl urychlit vývoj modelů lidské mozkové tkáně pro širší škálu onemocnění.
• Vysoce výkonný objev léků: Zvýšení produkce asembloidů by mohlo umožnit přesnější a rychlejší analýzu toho, zda potenciální léky pro mozkové funkce mohou účinně procházet hematoencefalickou bariérou (HBB).
• Testování environmentálních toxinů: Sestavy BBB, často založené na zvířecích modelových systémech, mohou pomoci posoudit toxické účinky látek znečišťujících životní prostředí, léčiv a dalších chemických sloučenin.
• Vývoj imunoterapie: Zkoumáním role hematoencefalické bariéry (HBB) u neurozánětlivých a neurodegenerativních onemocnění by mohly nové sestavy podpořit dodávání imunitních terapií do mozku.
• Bioinženýrství a výzkum biomateriálů: Biomedicínští inženýři a vědci v oblasti materiálů mohou využít dostupnost laboratorního modelu BBB k testování nových biomateriálů, vehikul pro podávání léků a strategií tkáňového inženýrství.

„Celkově vzato představují sestavy BBB revoluční technologii s širokými důsledky pro neurovědu, objevování léků a personalizovanou medicínu,“ říká Guo.