Le BBB est une barrière très sélective qui sépare le SNC du sang circulant. Il protège les fonctions critiques du cerveau contre les substances potentiellement perturbatrices, les facteurs et les xénobiotiques tout en permettant l’afflux de nutriments et d’autres métabolites nécessaires pour maintenir l’homéostasie du cerveau¹. Le BBB est un NVU multicellulaire dans lequel les péricytes, les pieds d’extrémité d’astrocyte, et les processus neuronaux contactent directement les cellules endothéliales microvasculaires de cerveau (BMECs). Ces interactions permettent aux BMEC de former des propriétés de barrière spécialisées qui sont soutenues par des jonctions serrées et adhérentes^2,3. La formation de cette barrière limite le passage paracellulaire des molécules, mais elle contient des transporteurs polarisés pour transporter activement des molécules dans le SNC ou dans le sang¹. En raison de ces propriétés de barrière uniques, le BBB constitue un obstacle majeur à la livraison de produits biopharmaceutiques dans le cerveau, et on estime que moins de 5% des petites molécules approuvées par la FDA peuvent atteindre le SNC⁴.

Les modèles animaux ont été largement utilisés pour étudier la pénétration de BBB et les mécanismes moléculaires impliqués dans le développement de BBB⁵. Alors que les modèles animaux représentent fidèlement l’environnement in vivo multicellulaire complexe, les différences d’expression et d’activité des transporteurs BBB ainsi que la spécificité du substrat entre les espèces empêchent souvent l’extrapolation précise des données animales aux humains⁶. Ainsi, les modèles à base humaine sont essentiels pour étudier le BBB humain et pour une utilisation dans le développement de médicaments conçus pour cibler le SNC. Ce besoin devient encore plus évident avec la prédominance croissante des médicaments biologiques spécifiques à l’homme dans le domaine du développement pharmaceutique. L’accumulation de preuves suggère qu’un BBB compromis est associé à un certain nombre de troubles graves du SNC, y compris les tumeurs cérébrales et les maladies neurologiques^7,8,9. Les modèles humains reflétant fidèlement ces maladies ont le potentiel d’identifier à la fois 1) de nouvelles voies qui pourraient être ciblées pour le développement de médicaments et 2) de prédire la pénétration du SNC, réduisant ainsi le temps et les ressources dans les études précliniques et peut-être la diminution du taux d’échec dans les essais cliniques.

Des modèles in vitro ont été largement mis en œuvre pour étudier les interactions entre les BMEC et d’autres cellules de la NVU et effectuer des écrans pour les médicaments bBB-perméables potentiels¹⁰. Pour recréer les aspects clés du BBB humain, les modèles in vitro doivent présenter des propriétés physiologiquement pertinentes (c.-à-d. faible perméabilité paracellulaire et résistance électrique transendothéliale physiologiquement pertinente [TEER] à travers la monocouche endothéliale). En outre, le profil moléculaire d’un système in vitro doit inclure l’expression de systèmes de transport fonctionnels représentatifs. Typiquement, les modèles in vitro sont composés de cellules endothéliales qui sont co-cultivées sur une membrane semi-perméable avec des combinaisons d’autres cellules NVU pour améliorer les propriétés BBB¹¹. Cette approche permet une évaluation simple et relativement rapide de la fonctionnalité de la barrière et de la perméabilité des molécules. De tels modèles de BBB à base de cellules peuvent être établis avec des sources de cellules animales ou humaines, y compris des cellules isolées des excisions chirurgicales ou des lignées de BMEC immortalisées.

Récemment, des protocoles visant à différencier les cellules pluripotentes humaines en BMEC ont été introduits comme une source attrayante pour les modèles bBB humains in vitro^12,13. Les BMECs (iBMECs) dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) sont très évolutifs, démontrent des caractéristiques morphologiques et fonctionnelles cruciales du BBB humain, et portent la génétique du patient. En culture, les iBMEC forment une monocouche qui exprime des marqueurs de jonction serrés et affiche des complexes de jonction serrés semblables à des vivo. Ces cellules expriment également des marqueurs de BBB, y compris le transporteur de glucose de BBB, le transporteur de glucose 1 (GLUT1). Fait important, et contrairement à d’autres sources cellulaires alternatives pour les BMEC humains, les iBMECs acquièrent des propriétés de barrière avec des valeurs aussi élevées que celles mesurées in vivo^14,polarisent le long de l’axe basolatéral, et expriment les pompes fonctionnelles d’efflux. En outre, l’utilisation d’iPSC de divers sujets à la fois 1) se félicite de la possibilité de tester les aspects de la BBB d’une manière de médecine personnalisée et 2) fournit une source flexible pour générer des types de cellules supplémentaires de la NVU. Générer ces cellules à partir d’une source de cellules isogéniques pour créer des puces BBB personnalisées aiderait également à comprendre les différences interindividuelles dans les réponses aux médicaments, ce qui est une cause majeure de résistance ou de réponse compromise au traitement observé dans les études cliniques.

L’utilisation d’iBMECs comme monocouches dans un plat ou sur un insert transwell semi perméable représente une approche puissante pour la modélisation BBB. Ces systèmes ont tendance à être robustes, reproductibles et rentables. En outre, les analyses fonctionnelles telles que TEER et perméabilité sont relativement simples à effectuer. Cependant, les systèmes bidimensionnels (2D) ne récapitulent pas la nature 3D du tissu in vivo, et ils n’ont pas les forces physiologiques de stress de cisaillement fournies par le sang et les cellules sanguines circulants. Cela limite la capacité de l’endothélium vasculaire dans ces modèles de développer et de maintenir les propriétés et les fonctions intrinsèques bBB.

Des systèmes micro-ingénieurs bordés de cellules vivantes ont été mis en place pour modéliser diverses fonctionnalités d’organes dans un concept appelé organ-on-chips. En recréant l’architecture multicellulaire in vivo-like, les interfaces tissu-tissu, les microenvironnements physicochimiques, et la perfusion vasculaire, ces plates-formes microengineered génèrent des niveaux de la fonctionnalité de tissu et d’organe pas possible avec systèmes de culture 2D conventionnels. Ils permettent également la haute résolution, l’imagerie en temps réel, et l’analyse des profils biochimiques, génétiques, et métaboliques semblables aux cellules vivantes dans le tissu in vivo et le contexte d’organe. Cependant, un défi particulier de l’orgue sur la puce est que la conception, la fabrication et l’application de ces puces micro-ingénierie nécessite une expertise en ingénierie spécialisée qui fait généralement défaut dans les laboratoires universitaires orientés biologiquement.

Nous avons récemment combiné les technologies iPSC et organ-on-chip pour générer un modèle personnalisé de puce BBB^15,16. Afin de surmonter les défis technologiques décrits, le Chip-S1 disponible dans le commerce est utilisé avec le module de culture, un instrument conçu pour automatiser l’entretien des puces d’une manière simple et robuste (Emulate Inc.). La puce BBB recrée les interactions entre les cellules neurales et endothéliales et atteint des valeurs TEER physiologiquement pertinentes, qui sont mesurées par des puces d’organes faites sur mesure avec des électrodes aurifères intégrées¹⁷. En outre, la puce BBB affiche une faible perméabilité paracellulaire, répond aux signaux inflammatoires au niveau des organes, exprime des pompes à efflux actives et présente un transport prédictif de biomarqueurs solubles et de produits biopharmaceutiques. Notamment, les puces BBB générées par plusieurs individus capturent les différences fonctionnelles attendues entre les personnes en bonne santé et les patients atteints de maladies neurologiques¹⁵.

Le protocole détaillé ci-dessous décrit une méthode fiable, efficace et reproductible pour la génération de puces BBB à base d’iPSC dans des conditions de flux dynamiques. Des directives sont fournies sur le type d’analyses et d’analyses de points de terminaison qui peuvent être effectuées directement dans la puce BBB ou à partir d’effluents d’échantillonnage. Ainsi, le protocole démontre le spectre des techniques qui peuvent être appliquées pour évaluer les propriétés et les réponses biologiques et fonctionnelles dans un modèle humain-pertinent.

Une brève description de la puce BBB basée sur iPSC est fournie ici. Les iPSC humains sont initialement différenciés et propagés dans les flacons de culture tissulaire sous forme d’agrégats flottants d’ancêtres neuronaux, appelés ez-sphères. Le canal supérieur de la Chip-S1^16,18,19 est enseveavec avec dissociéEZ EZ-sphères qui forment le «côté cerveau» de la puce, que les cellules se différencient sur 7 jours dans une culture mixte de cellules progénitrices neuronales (iNPc), iAstrocytes, et iNeurons. Les iPSC humains sont également différenciés dans les plaques de culture tissulaire en iBMECs. Le canal inférieur de la puce est ensevement d’iBMECs pour former le « côté sang » au fur et à mesure qu’ils se développent pour former un tube endothélial (Figure 1). La membrane enduite de matrice extracellulaire poreuse (ECM) qui sépare les canaux supérieurs et inférieurs 1) permet la formation d’interactions cellule-cellule entre les canaux et 2) permet à l’utilisateur d’exécuter des essais de perméabilité et des cellules d’image dans l’un ou l’autre canal à l’aide d’un microscope à lumière classique.