Новая модель гематоэнцефалического барьера
Исследователи создали и протестировали 3D-in vitro модель гематоэнцефалического барьера для моделирования его повреждений.
Cлева показана модель гематоэнцефалического барьера in vivo. Внизу слева - новая модель in vitro, которая наклоняется для создания потока жидкости. На фотографиях справа показана платформа, на которой тестируется модель in vitro.
Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) представляет собой полупроницаемую мембрану, отделяющую клетки нервной системы от кровеносного русла. Это структура, одна из важнейших функций которой - безопасное питание мозга. ГЭБ пропускает к нервной системе питательные вещества (например, важнейшую для мозга глюкозу) и позволяет продуктам обмена веществ выйти из циркуляции по нервной системе. Помимо этого, ГЭБ защищает мозг от токсических агентов и патогенов и играет важную роль в доставке лекарств в мозг.
Повреждения ГЭБа, вызванные инсультом или черепно-мозговой травмой, сильно отражаются на функциях и герметичности барьера, что, в свою очередь, оказывает прямое влияние на ЦНС. В случае повреждения в мембране могут появиться дыры. Это не всегда плохо. Иногда, например, они могут облегчить поступление необходимого лекарства к мозгу. В этом контексте было бы полезно понять, как сохранить барьер стабильным, чтобы он защищал нервную систему, и как его, при необходимости, можно «сломать» и снова отремонтировать, чтобы доставить лекарство к цели. В этом могут помочь модели ГЭБа.
Модели ГЭБа стремятся имитировать его морфологические и биохимические характеристики. Наиболее эффективным способом построения моделей считается использование лабораторных животных. Однако такие эксперименты довольно дорогие и не дают полного представления о том, что происходит в организме человека. Кроме того, испытания на животных нередко подвергаются критике в этической плоскости.
В качестве эффективной альтернативы создаются модели, выращенные в лаборатории из клеток человека. Есть разные варианты их представления. Статические модели, созданные из эндотелиальных клеток, не могут воспроизвести морфологические и физиологические аспекты ГЭБ. Здесь не воссоздаётся поток жидкости, который омывает клетки в организме. В динамических моделях этот недостаток исправляется, но для того, чтобы построить такую модель, нужны специальные насосы, которые делают экспериментальную установку довольно сложной.
Наряду с имеющимися существует проблема измерения. Почти невозможно получить изображения структурных изменений в реальном времени с высоким разрешением, а также измерить электрическое сопротивление барьера. Именно эти два параметра отражают компактность и герметичность ГЭБа.
Решение проблемы предложили исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. В своей работе, опубликованной в Advanced Science, они описывают разработанную ими открытую микрофлюидную трехмерную модель ГЭБа, которая способна в значительной степени упростить его изучение и устранить значительные ограничения.
Исследователи объединили на одной микрожидкостной платформе эндотелиоциты, перициты и астроциты, что позволило полностью воспроизвести трехмерную клеточную структуру естественных микрососудов ГЭБа. Имитировать движение жидкости удалось с помощью резервуаров с жидкостью, помещенных на обоих концах платформы в виде качелей. Также в платформу по обе стороны от барьера встроили прозрачные электроды, не мешающие микроскопии и оптическому отслеживанию изменений в нем. Они помогают контролировать герметичность барьера в реальном времени с высоким разрешением.
Работоспособность системы исследователи протестировали, подвергнув модель кислородно-глюкозной депривации, которая имитирует характеристики ишемического инсульта. В такой модели эксперимента авторы разработки не только продемонстрировали пригодность модели для исследований ГЭБа, но также обнаружили, что кислородно-глюкозное голодание вызывает быстрое ремоделирование клеточных актиновых структур и последующие морфологические изменения в эндотелиальных клетках. Визуализация в реальном времени показала образование больших пучков актиновых стресс-волокон в эндотелиальном слое, что в конечном итоге приводит к усадке клеток и разрушению барьера. Более того, удалось установить, что электрическое сопротивление барьера уменьшается еще до того, как он подвергнется морфологическим изменениям, которые сделают его более проницаемым.
Результаты, полученные авторами работы, показывают, что искусственная ГЭБ-платформа воспроизводит основные барьерные функции реального гематоэнцефалического барьера in vitro и может быть использована для исследования быстрой реорганизации ГЭБ при воздействии внешних раздражителей. Исследователи также отмечают, что платформу можно будет легко адаптировать к другим моделям эндотелиальных клеток, где сочетание измерений барьерной непроницаемости и микроскопии с высоким разрешением может проложить путь к новым исследованиям.
Текст: Анна Удоратина
Ссылка на источник
Cлева показана модель гематоэнцефалического барьера in vivo. Внизу слева - новая модель in vitro, которая наклоняется для создания потока жидкости. На фотографиях справа показана платформа, на которой тестируется модель in vitro.
Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) представляет собой полупроницаемую мембрану, отделяющую клетки нервной системы от кровеносного русла. Это структура, одна из важнейших функций которой - безопасное питание мозга. ГЭБ пропускает к нервной системе питательные вещества (например, важнейшую для мозга глюкозу) и позволяет продуктам обмена веществ выйти из циркуляции по нервной системе. Помимо этого, ГЭБ защищает мозг от токсических агентов и патогенов и играет важную роль в доставке лекарств в мозг.
Повреждения ГЭБа, вызванные инсультом или черепно-мозговой травмой, сильно отражаются на функциях и герметичности барьера, что, в свою очередь, оказывает прямое влияние на ЦНС. В случае повреждения в мембране могут появиться дыры. Это не всегда плохо. Иногда, например, они могут облегчить поступление необходимого лекарства к мозгу. В этом контексте было бы полезно понять, как сохранить барьер стабильным, чтобы он защищал нервную систему, и как его, при необходимости, можно «сломать» и снова отремонтировать, чтобы доставить лекарство к цели. В этом могут помочь модели ГЭБа.
Модели ГЭБа стремятся имитировать его морфологические и биохимические характеристики. Наиболее эффективным способом построения моделей считается использование лабораторных животных. Однако такие эксперименты довольно дорогие и не дают полного представления о том, что происходит в организме человека. Кроме того, испытания на животных нередко подвергаются критике в этической плоскости.
В качестве эффективной альтернативы создаются модели, выращенные в лаборатории из клеток человека. Есть разные варианты их представления. Статические модели, созданные из эндотелиальных клеток, не могут воспроизвести морфологические и физиологические аспекты ГЭБ. Здесь не воссоздаётся поток жидкости, который омывает клетки в организме. В динамических моделях этот недостаток исправляется, но для того, чтобы построить такую модель, нужны специальные насосы, которые делают экспериментальную установку довольно сложной.
Наряду с имеющимися существует проблема измерения. Почти невозможно получить изображения структурных изменений в реальном времени с высоким разрешением, а также измерить электрическое сопротивление барьера. Именно эти два параметра отражают компактность и герметичность ГЭБа.
Решение проблемы предложили исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. В своей работе, опубликованной в Advanced Science, они описывают разработанную ими открытую микрофлюидную трехмерную модель ГЭБа, которая способна в значительной степени упростить его изучение и устранить значительные ограничения.
Исследователи объединили на одной микрожидкостной платформе эндотелиоциты, перициты и астроциты, что позволило полностью воспроизвести трехмерную клеточную структуру естественных микрососудов ГЭБа. Имитировать движение жидкости удалось с помощью резервуаров с жидкостью, помещенных на обоих концах платформы в виде качелей. Также в платформу по обе стороны от барьера встроили прозрачные электроды, не мешающие микроскопии и оптическому отслеживанию изменений в нем. Они помогают контролировать герметичность барьера в реальном времени с высоким разрешением.
Работоспособность системы исследователи протестировали, подвергнув модель кислородно-глюкозной депривации, которая имитирует характеристики ишемического инсульта. В такой модели эксперимента авторы разработки не только продемонстрировали пригодность модели для исследований ГЭБа, но также обнаружили, что кислородно-глюкозное голодание вызывает быстрое ремоделирование клеточных актиновых структур и последующие морфологические изменения в эндотелиальных клетках. Визуализация в реальном времени показала образование больших пучков актиновых стресс-волокон в эндотелиальном слое, что в конечном итоге приводит к усадке клеток и разрушению барьера. Более того, удалось установить, что электрическое сопротивление барьера уменьшается еще до того, как он подвергнется морфологическим изменениям, которые сделают его более проницаемым.
Результаты, полученные авторами работы, показывают, что искусственная ГЭБ-платформа воспроизводит основные барьерные функции реального гематоэнцефалического барьера in vitro и может быть использована для исследования быстрой реорганизации ГЭБ при воздействии внешних раздражителей. Исследователи также отмечают, что платформу можно будет легко адаптировать к другим моделям эндотелиальных клеток, где сочетание измерений барьерной непроницаемости и микроскопии с высоким разрешением может проложить путь к новым исследованиям.
Текст: Анна Удоратина
Ссылка на источник