Междисциплинарная команда исследователей из Института интегративных исследований биологических систем и образования Вандербильта (Vanderbilt Institute for Integrative Biosystems Research and Education) под руководством биофизика Джона Виксво (John Wikswo) сообщила о завершении разработки микрофлюидного устройства, которое обошло ограничения предыдущих моделей гемато-энцефалического барьера (ГЭБ). Учёные уже начали использовать новое устройство для изучения воспалительного процесса в мозге, получившего название «тихого убийцы», поскольку он не вызывает боли, но вносит вклад в развитие таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Недавние исследования продемонстрировали, что воспаление может лежать в основе многих психических нарушений, начиная от ухудшения когнитивных способностей и заканчивая депрессией и шизофренией.
Проект по разработке модели ГЭБ — часть обширной программы «Тканевый процессор для исследования лекарств» («Tissue Chip for Drug Testing Program»), бюджет которой составляет 70 млн долларов США. Программа финансируется Национальным центром продвинутых переводных научных исследований (National Center for Advancing Translational Sciences) Национальных институтов здоровья (National Institutes of Health). Её целью является разработка моделей человеческих органов на чипах для более быстрого, дешёвого и надёжного изучения безопасности и эффективности новых лекарств.
В последние годы исследование принципов работы ГЭБ стало рассматриваться как приоритетная задача, поскольку учёные обнаружили, что это образование связано с различными нарушениями работы головного мозга — от инсульта и болезни Альцгеймера до последствий черепно-мозговой травмы, болезни Паркинсона и воспаления мозга.
Несмотря на важность задачи, учёные столкнулись с серьёзными трудностями при разработке достоверных лабораторных моделей сложной системы, защищающей мозг. Первые устройства либо были статичными — и не могли использоваться для изучения нарушений кровообращения — либо в них не хватало некоторых типов клеток, присутствующих в ГЭБ человека.
ГЭБ на чипе
Новое устройство, получившее название NeuroVascular Unit, лишено упомянутых недостатков. В NeuroVascular Unit имеется небольшая полость толщиной менее 1 мм. Её размеры — 5 мм в длину, 2,5 мм в ширину, а по объёму она сопоставима с одной миллионной человеческого мозга. Полость разделена тонкой пористой мембраной на верхнюю камеру — она воспроизводит сторону ГЭБ, обращённую к мозгу, и нижнюю — моделирующую кровеносный сосуд. Обе камеры подключены к отдельным микроканалам, оснащённым микронасосами, что позволяет наполнять камеры и изучать их работу независимо друг от друга.
В процессе создания модели ГЭБ учёные сначала перевернули NeuroVascular Unit так, чтобы камера, моделирующая кровеносный сосуд, оказалась сверху, и ввели в устройство клетки человеческого эндотелия. Исследователи обнаружили, что эндотелиальные клетки, если через камеру идёт стабильный поток жидкости, самостоятельно выстраиваются параллельно направлению этого потока. Эта ориентация клеток в пространстве, характерная для естественного ГЭБ, отсутствовала во многих предыдущих моделях.
Через день или два, когда эндотелиальные клетки присоединились к мембране, учёные снова перевернули устройство и ввели в него клетки ещё двух типов, участвующих в формировании ГЭБ. Наряду с астроцитами и периваскулярными клетками, оборачивающимися вокруг клеток эндотелия, в NeuroVascular Unit были помещены нейроны, ответственные за регуляцию работы барьера. Все эти клетки разместились в «мозговой» камере, которая теперь была сверху. Пористая мембрана позволила новым клеткам установить физическую и химическую связь с клетками эндотелия — так же, как они сделали бы это в естественных условиях.
«Это один из самых захватывающих проектов из тех, в которых я принимала участие, — рассказала соавтор работы Диана Нили (Diana Neely), доцент педиатрии из Медицинского центра Университета Вандербильта (Vanderbilt University Medical Center). — Хотя проект ещё в пелёнках, его потенциал огромен».
По мнению другого участника проекта, Аарона Боумана (Aaron Bowman), доцента педиатрии, неврологии и биохимии из того же центра, одним из возможных применений NeuroVascular Unit станет разработка чипов, содержащих клетки конкретного пациента, благодаря чему будет возможно предсказать индивидуальную реакцию на различные препараты.
Устройство прошло испытания на «отлично»
«Завершив разработку NeuroVascular Unit, мы подвергли его серии испытаний. Все тесты устройство прошло на „отлично“, что даёт нам возможность утверждать, что мы создали полнофункциональную модель ГЭБ», — рассказывает сотрудница Института интегративных исследований биологических систем и образования Вандербильта Жаклин Браун (Jacquelyn Brown), являющаяся также первым автором статьи «Воссоздание физиологии и структуры ГЭБ на чипе: новый нейроваскулярный микрофлюидный биореактор» (Recreating blood-brain barrier physiology and structure on chip: A novel neurovascular microfluidic bioreactor), которая была опубликована в издании Biomicrofluidics.
«Мы достигли точки, в которой можно приступать к изучению различных лекарств и соединений, — поясняет одна из участниц проекта Донна Уэбб (Donna Webb), доцент биологии, интересующаяся исследованием влияния различных веществ на синапсы. — Мы обязательно должны выяснить, как разнообразные химические соединения влияют на процесс мышления. Нас ждёт масса сюрпризов!»
Первое изображение воспалительного процесса в динамике
Группа исследователей уже использовала NeuroVascular Unit, чтобы преодолеть основные ограничения предыдущих работ по изучению воспалительного процесса в головном мозге. В ранних исследованиях этот процесс был представлен отдельными «снимками» различных стадий. Поскольку реакции, идущие в NeuroVascular Unit, можно наблюдать непрерывно, устройство смогло обеспечить учёных динамическим отображением реакции ГЭБ на системное воспаление.
Результаты работы были описаны в статье «Метаболические последствия воспалительного разрушения ГЭБ на модели «органа на чипе» нейроваскулярной единицы человека» (Metabolic consequences of inflammatory disruption of the blood-brain barrier in an organ-on-chip model of the human neurovascular unit), принятой к публикации в издании Journal of Neuroinflammation.
Учёные ввели в устройство два различных соединения, известные своей способностью вызывать воспалительный процесс в мозге: крупные молекулы липополисахарида, находящегося на поверхности определённой бактерии, и «коктейль» из небольших белков, объединяемых под названием «цитокины» — они играют важную роль в формировании иммунного ответа.
«Одним из самых неожиданных открытий для нас стало то, что в ответ на контакт с этими соединениями ГЭБ начал активно синтезировать белки, — отметила Браун. — Теперь нам нужно выяснить, что это за белки и какова их функция».
Учёные также обнаружили, что в ответ на воспаление обменные процессы в кровеносных сосудах ГЭБ ускорялись, в то время как метаболизм клеток мозга замедлялся. По мнению Браун, это может свидетельствовать о том, что «кровеносная система пытается отреагировать, а мозг — защитить себя».
