Al igual que las barreras de seguridad de los aeropuertos que limpian a los viajeros autorizados o impiden que los viajeros no autorizados y su equipaje accedan a las áreas de operaciones centrales, La barrera hematoencefálica (BBB) ​​controla estrictamente el transporte de nutrientes esenciales y metabolitos energéticos al cerebro y evita las sustancias no deseadas que circulan en el torrente sanguíneo. En tono rimbombante, 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. neurodegeneración, y otras enfermedades del sistema nervioso central. En una serie de enfermedades cerebrales, el BBB también puede descomponerse localmente, causando sustancias neurotóxicas, las células sanguíneas y los patógenos se filtran al cerebro y causan estragos irreparables.

Para estudiar la BBB y el transporte de fármacos a través de ella, Los investigadores se han basado principalmente en modelos animales como los ratones. Sin embargo, las funciones precisas de composición y transporte de las BBB en esos modelos pueden diferir significativamente de las de los pacientes humanos, lo que los hace poco fiables para la predicción de la administración de fármacos y la eficacia terapéutica. Además, los modelos in vitro que intentan recrear la BHE humana utilizando células primarias derivadas de tejido cerebral hasta ahora no han podido imitar la barrera física de la BHE. funciones de transporte, y actividades de transporte de fármacos y anticuerpos lo suficientemente cerca como para ser útiles como herramientas de desarrollo terapéutico.

Ahora, un equipo dirigido por Donald Ingber, MARYLAND., Doctor. en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard ha superado estas limitaciones aprovechando su tecnología microfluídica de Órganos en Chips (Organ Chips) en combinación con un enfoque inspirado en el desarrollo que imita la hipoxia para diferenciar las células madre pluripotentes humanas (iPS) en células endoteliales microvasculares del cerebro. células (BMVEC). El 'Chip BBB mejorado con hipoxia' resultante recapitula la organización celular, funciones de barrera estricta y capacidades de transporte de la BBB humana; y permite el transporte de fármacos y anticuerpos terapéuticos de una manera que imita más de cerca el transporte a través de la BHE in vivo que los sistemas in vitro existentes. Su estudio se informa en Comunicaciones de la naturaleza .

"Nuestro enfoque para modelar el transporte de fármacos y anticuerpos a través de la BBB humana 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 el director fundador del Wyss Institute, Ingber." Aborda una necesidad crítica en los programas de desarrollo de medicamentos en todo el mundo farmacéutico y biotecnológico que ahora nuestro objetivo es ayudar a superar con un 'Programa de transporte de barrera hematoencefálica' en el Wyss Institute utilizando nuestro talento único y recursos ". Ingber también es profesor de Biología Vascular Judah Folkman en HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como Profesor de Bioingeniería en SEAS.

La BBB consta de vasos sanguíneos capilares delgados formados por BMVEC, células multifuncionales conocidas como pericitos que se envuelven alrededor del exterior de los vasos, y astrocitos en forma de estrella, que son células cerebrales no neuronales que también contactan los vasos sanguíneos con procesos similares a los pies. En presencia de pericitos y astrocitos, Las células endoteliales pueden generar la barrera de la pared de los vasos herméticamente sellada típica de la BHE humana.

El equipo de Ingber diferenció por primera vez las células iPS humanas en células endoteliales cerebrales en la placa de cultivo utilizando un método que había sido desarrollado previamente por el coautor Eric Shusta. Doctor., Profesor de Ingeniería Química y Biológica en la Universidad de Wisconsin-Madison, pero con el poder añadido de la bioinspiración. "Porque en el embrión, la BBB se forma en condiciones de bajo nivel de oxígeno (hipoxia), diferenciamos las células iPS durante un tiempo prolongado en una atmósfera con solo un 5% en lugar de la concentración normal de oxígeno del 20%, "dijo el co-primer autor Tae-Eun Park, Doctor. "Como resultado, las células iPS iniciaron un programa de desarrollo muy similar al del embrión, produciendo BMVEC que exhibían una mayor funcionalidad que las BMVEC generadas 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.

Sobre la base de un modelo BBB humano anterior, A continuación, los investigadores transfirieron las BMVEC humanas inducidas por hipoxia a uno de los dos canales paralelos de un dispositivo de microfluidos Organ-on-Chip que están divididos por una membrana porosa y perfundidos continuamente con medio. El otro canal estaba poblado con una mezcla de pericitos y astrocitos primarios del cerebro humano. Después de un día adicional de tratamiento contra la hipoxia, el chip BBB humano podría mantenerse estable durante al menos 14 días a concentraciones normales de oxígeno, que es mucho más largo que los modelos anteriores de BBB humana in vitro que se intentaron en el pasado.

Bajo el esfuerzo cortante de los fluidos que perfunden el Chip BBB, las BMVEC pasan a formar un vaso sanguíneo, y desarrollan una interfaz densa con pericitos alineados con ellos en el otro lado de la membrana porosa, así como con astrocitos extendiendo procesos hacia ellos a través de pequeñas aberturas en la membrana. "La morfología distintiva de la BBB diseñada es paralela a la formación de una barrera más estrecha que contiene un número elevado de sistemas de transporte selectivo y lanzadera de fármacos en comparación con las BBB de control que generamos sin hipoxia o esfuerzo de corte del fluido, o con endotelio derivado del cerebro adulto en lugar de células iPS, "dijo Nur Mustafaoglu, Doctor., co-primer autor del estudio y becario postdoctoral que trabaja en el equipo de Ingber. "Es más, podríamos emular los efectos de las estrategias de tratamiento en pacientes en la clínica. Por ejemplo, abrimos la BHE de forma reversible durante un breve período de tiempo aumentando la concentración de un soluto de manitol [osmolaridad] para permitir el paso de fármacos grandes como el anticuerpo anticanceroso Cetuximab ".

Para proporcionar una prueba adicional de que el chip BBB humano mejorado con hipoxia se puede utilizar como una herramienta eficaz para estudiar la administración de fármacos al cerebro, el equipo investigó una serie de mecanismos de transporte que impiden que los fármacos alcancen sus objetivos en el cerebro bombeándolos de vuelta al torrente sanguíneo (flujo de salida), o eso, a diferencia de, permiten el transporte selectivo de nutrientes y fármacos a través de la BBB (transcitosis).

"Cuando bloqueamos específicamente la función de P-gp, una bomba de eflujo endotelial clave, podríamos aumentar sustancialmente el transporte del fármaco anticanceroso doxorrubicina desde el canal vascular al canal cerebral, muy similar a lo que se ha observado en pacientes 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 fármacos al cerebro en el futuro ".

En otro lugar los desarrolladores de fármacos están tratando de aprovechar la 'transcitosis mediada por receptores' como un vehículo para transportar nanopartículas cargadas de fármacos, fármacos químicos y proteicos más grandes, así como anticuerpos terapéuticos a través de la BBB. "El chip BBB humano mejorado con hipoxia recapitula la función de las vías críticas de transcitosis, como los utilizados por los receptores LRP-1 y transferrina responsables de absorber las lipoproteínas vitales y el hierro de la sangre circulante y liberarlos en el cerebro en el otro lado de la BBB. Aprovechando esos receptores utilizando diferentes estrategias preclínicas, podemos imitar fielmente el traslado previamente demostrado de anticuerpos terapéuticos que se dirigen a los receptores de transferrina in vivo, mientras se mantiene la integridad de la BBB in vitro, "dijo Mustafaoglu.

Con base en 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 de BMVEC, usando transcriptómica novedosa, proteómica, y enfoques de células iPS. En paralelo, estamos desarrollando lanzaderas de anticuerpos completamente humanos dirigidas contra objetivos de lanzadera conocidos con capacidades mejoradas de focalización en el cerebro, "dijo James Gorman, MARYLAND., Doctor., el Jefe de Personal del Programa de Transporte BBB en colaboración 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 su incorporación en fármacos de anticuerpos y proteínas". porque esto es tan 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 usar para modelar aspectos de enfermedades cerebrales que afectan a la BBB, como la enfermedad de Alzheimer y Parkinson, ya enfoques avanzados de medicina personalizada mediante el uso de células iPS derivadas de pacientes.