Isolamento dei capillari cerebrali da tessuto cerebrale umano fresco

La barriera emato – encefalica è un’interfaccia strettamente controllata tra il sangue e il cervello che determina ciò che entra ed esce dal cervello. Anatomicamente, cellule endoteliali compongono la barriera emato – encefalica e forma una complessa, continua rete capillare. Fisiologicamente, questa rete capillare fornisce il cervello con l’ossigeno e le sostanze nutrienti mentre contemporaneamente smaltimento dell’anidride carbonica e le scorie metaboliche. Cosa importante, la prova sostiene che le modifiche alla barriera contribuiscano a numerose patologie, tra cui il morbo di Alzheimer, epilessia e ictus^{1,2,3,4,5 , 6 , 7}. cervello cellule endoteliali anche servono come una barriera al trattamento bloccando l’assorbimento del farmaco nel cervello, ad es., chemioterapia del multiforme di glioblastoma seguito tumore resezione^{8,9, 10}. A questo proposito, i capillari del cervello umano isolato rappresentano un unico ex vivo barriera emato – encefalica modello che ricorda da vicino barriera proprietà in vivo, che consente lo studio della funzione della barriera e della disfunzione in salute e la malattia. In questo articolo, forniamo un protocollo per isolare i capillari del cervello dal cervello umano a una qualità costantemente elevata capillare e resa per studiare la barriera emato – encefalica.

Nel 1969, Siakotos et al. ¹¹ sono stati i primi a segnalare l’isolamento dei capillari del cervello dal tessuto di cervello bovino e umano usando densità gradiente centrifugazione e vetro perlina colonna di separazione. Più tardi, Goldstein et al. ¹² migliorato questo metodo aggiungendo più passaggi di filtrazione per diminuire la quantità di tessuto necessaria per studiare i capillari cerebrali isolati dai ratti, pur mantenendo l’attività metabolica di trasporto del glucosio. Da allora, i ricercatori hanno ottimizzato la procedura di isolamento capillare numerose volte, miglioramento del metodo e cervello modello capillare con ciascuna iterazione^13,14,15. Ad esempio, atomo et al. ¹⁶ isolato bovina capillari tramite digestione enzimatica piuttosto che omogeneizzazione meccanica e quindi successivamente passata una sospensione capillare attraverso un filtro a rete 210 µm e una colonna di perlina di vetro. Queste modifiche migliorato la macchia di esclusione del trypan blu dei capillari cerebrali isolato e quindi, aumentato di attuabilità delle cellule endoteliali. Nel 1990, Dallaire et al. ¹⁷ isolato capillari bovini e ratto che erano chiare di un neurone contaminazione e mantenuto l’attività metabolica di γ-glutamil transpeptidasi (γ-GTase) e della fosfatasi alcalina. Nel 2000, Miller et al. ¹⁸, usato isolati del ratto e capillari cerebrali suina in combinazione con microscopia confocale per mostrare l’accumulo dei substrati di trasporto nel lumen dei vasi capillari. Successivamente, il nostro laboratorio ha continuato ad ottimizzare la procedura di isolamento capillare del cervello e abbiamo stabilito i saggi di trasporto per determinare la P-glicoproteina (P-gp)^19,20,21, cancro al seno resistenza della proteina (BCRP)^22,23e multi-farmaco resistenza proteina 2 (Mrp2) attività di trasporto di²⁴ . Nel 2004, abbiamo pubblicato due relazioni dove abbiamo usato capillari cerebrali isolati del ratto per studiare varie vie di segnalazione. A Hartz et al. ²¹, abbiamo trovato che il peptide endotelina-1 rapidamente e reversibilmente ridotta funzione di trasporto P-gp in capillari cerebrali agendo attraverso del recettore dell’endotelina recettori B (ET_B), l’ossido nitrico sintasi (NOS) e protein chinasi C (PKC). In Bauer et al. ¹⁹, abbiamo dimostrato l’espressione del recettore recettore nucleare pregnane X (PXR) e ha mostrato PXR-modulazione della funzione di espressione e di trasporto P-gp nei capillari del cervello. Negli esperimenti con i topi transgenici di PXR umanizzati, abbiamo ampliato questa linea di ricerca e ha dimostrato in vivo di serraggio della barriera di upregulating P-gp attraverso l’attivazione di hPXR²⁵. Nel 2010, Hartz et al. ²⁶ utilizzato questo approccio per ripristinare l’espressione della proteina P-gp e attività nei topi di proteina (hAPP) precursore dell’amiloide umana transgenici che sovraesprimono hAPP di trasporto. Inoltre, ripristino di P-gp in hAPP topi significativamente riducono di beta amiloide (Aβ)₄₀e livelli del cervello Aβ₄₂.

Oltre a studiare le vie di segnalazione, capillari cerebrali isolato possono essere utilizzati per determinare cambiamenti nella permeabilità capillare che ci riferiamo come perdita capillare. In particolare, l’analisi di perdita Texas Red è usata per valutare la perdita della tintura fluorescente Texas Red dal lume capillare nel tempo e questi dati vengono quindi utilizzati per analizzare i tassi di perdita. Tassi di perdita capillare aumentato rispetto a quelli da capillari di controllo indicano cambiamenti nell’integrità fisica della barriera emato – encefalica². Questo è prezioso perché ci sono numerosi Stati di malattia connessi con rottura della barriera, ad es., epilessia, sclerosi multipla, morbo di Alzheimer e cerebrali traumatiche lesioni^{27,28,29, 30}. Altri gruppi hanno anche utilizzato isolati capillari per discernere le vie di segnalazione che regolano l’espressione della proteina e l’attività di trasporto delle proteine^{31,32,33,34, 35,36,37}. Infine, abbiamo continuato ad ottimizzare questo metodo per l’isolamento dei capillari del cervello umano e, recentemente, abbiamo mostrato l’espressione aumentata di P-gp umana barriera emato – encefalica nei pazienti con epilessia rispetto a individui di controllo di grippaggio-libero³⁸ . Presi insieme, questi sviluppi dimostrano che i capillari cerebrali isolato possono servire come un modello versatile per studiare la funzione della barriera.

Vari in vivo, ex vivoe in vitro di barriera emato – encefalica modelli sono stati utilizzati nella ricerca di base e lo screening di stupefacenti industriali, principalmente con l’obiettivo della prova di consegna della droga per il cervello^{39,40,41 ,42,43,44}. Oltre alle isolato ex vivo capillari cerebrali, attuale barriera emato – encefalica modelli includono modelli in silico , in vitro di colture cellulari di cellule endoteliali dei capillari del cervello isolato o linee cellulari immortalizzate da vari specie, coltura in vitro di cellule staminali pluripotenti umane (hPSC) che si differenziano in cellule endoteliali dei capillari del cervello e modelli di microfluidica su un chip.

In silico modelli sono più comunemente utilizzati nello sviluppo di farmaci per la selezione di candidati farmaci basati sul predetto assorbimento, distribuzione, metabolismo e l’escrezione (ADME) proprietà. Metodi quali modelli di relazione (QSPR) quantitative struttura-proprietà e modelli di relazione (QSAR) quantitativa struttura-attività sono metodi comuni utilizzati in high throughput screening di librerie prevedere cervello penetrazione di candidati farmaci ^{45 , 46}. questi modelli sono utili per molecole di schermo per le proprietà di penetrazione della barriera.

Betz et al. ⁴⁷ monostrati di cellule endoteliali dei capillari cerebrali coltivate, ricavandone un sistema modello in vitro della barriera emato – encefalica. In vitro modelli della coltura cellulare utilizzando tessuto fresco o linee cellulari endoteliali immortalizzate come le cellule endoteliali del microvessel cerebrale umana (hCMECs) possono essere un altro strumento di screening ad alta resa per la penetrazione di cervello o studi meccanicistici. Tuttavia, modelli di cultura delle cellule endoteliali capillari del cervello mancano la sollecitazione di taglio fisiologica del flusso sanguigno all’interno del lume capillare, sono limitate nella complessità nel complesso biologico e subiscono cambiamenti nell’espressione e localizzazione dei componenti importante barriera come le proteine di giunzione stretta, ioni, trasportatori, enzimi e recettori di superficie canali^48,49,50. Al contrario, monostrati endoteliali derivati da hPSCs, hanno saccarosio bassa permeabilità rispetto alle culture hCMEC/D3 e contengono espressione polarizzata di alcuni trasportatori di barriera emato – encefalica, molecole di adesione e giunzioni strette^{51, 52}. Tuttavia, queste cellule sono anche soggetti a modifica proprietà nella cultura, e il sistema deve essere validato per la ricapitolazione di in vivo proprietà barriera⁵².

Le tendenze più recenti nella barriera emato – encefalica ricerca includono utilizzando sistemi di coltura del tessuto 3D per creare capillari artificiali, utilizzando la tecnologia di organo-on-chip per generare dispositivi microfluidici, o che utilizzano la tecnologia a fibra cava^{53, 54 , 55}. capillari artificiali, tuttavia, sono significativamente più grandi diametri (100 – 200 µm) di capillari cerebrali (3 – 7 µm). Quindi, il taglio forze in vitro non completamente simile la situazione in vivo . Questo viene affrontato in dispositivi microfluidici “blood-brain-barrier-on-a-chip”, dove compartimenti di “sangue” e “cervello” di forma membrane artificiali e fluidi vengono pompati attraverso questi dispositivi che generano forze di taglio di microfluidica. Allo stesso modo, co-colture di cellule endoteliali in varie combinazioni con gli astrociti e cellule muscolari lisce vascolari sono stati anche utilizzate con la tecnologia a fibra cava per ricreare i parametri reologici presenti sotto nel vivo condizioni^{56 , 57 , 58}. Tuttavia, non è chiaro quanto bene questo modello riflette altre proprietà della barriera sangue – cervello come trasporto, metabolismo, segnalazione e altri. Questi modelli artificiali capillare e chip sono adatti per high throughput screening di farmaci, ma le cellule utilizzate per generare questi modelli sono anche soggetti a modifiche durante la coltura.

Fette del cervello congelato e fisso o colture di cellule endoteliali capillari sono ulteriori modelli che possono essere utilizzato perlo studio del microcircolo umano^5,59,60,61primario del cervello. Ad esempio, immunoistochimica del tessuto cerebrale fisso viene utilizzato per determinare la localizzazione della proteina, e l’espressione in sano rispetto al tessuto malato.

Oltre alle fettine di tessuto e i modelli in vitro capillari cerebrali di cui sopra, appena isolate possono essere utilizzati per studiare la funzione di barriera emato – encefalica. Limitazioni di questo modello capillare isolato includono la difficoltà per ottenere il tessuto cerebrale umano fresco, assenza di astrociti e neuroni e un processo relativamente lungo isolamento. Un vantaggio del modello capillare del cervello isolato è che questo modello ricorda da vicino la situazione in vivo e, pertanto, può essere utilizzato per caratterizzare la disfunzione e la funzione di barriera. Importante, può anche essere utilizzato per discernere i meccanismi di segnalazione utilizzando una moltitudine di saggi e tecniche molecolari^3,19,62,63.

Il nostro laboratorio ha accesso a sia il tessuto fresco e congelato del cervello umano attraverso il centro di Sanders-Brown su invecchiamento (IRB #B15-2602-M)⁶⁴. In questo contesto, le autopsie seguono un protocollo standard, cervelli sono ottenuti < 4h e tutte le procedure sono conformi alle linee guida NIH Biospecimen Best Practice⁶⁵. Dato questo unico accesso al tessuto cerebrale umano, abbiamo stabilito e ottimizzato un protocollo per isolare i capillari del cervello dal tessuto di cervello umano che si traduce in un alto rendimento dei capillari del cervello umano intatto, praticabile. Due endpoint comune di interesse sono per determinare l’espressione della proteina e l’attività. A questo proposito, noi ed altri abbiamo stabilito vari saggi che possono essere utilizzati con capillari cerebrali isolato per studiare l’espressione della proteina e livelli di attività. Questi test includono Western blotting, analisi di Western semplice, analisi enzima-collegata dell’immunosorbente (ELISA), reazione a catena della polimerasi d’inversione della trascrizione (RT-PCR), reazione a catena della polimerasi quantitativa (qPCR), zimografia, analisi di attività di trasporto, e saggi di perdita capillare. Queste analisi permettono ai ricercatori di studiare i cambiamenti nella funzione della barriera in condizioni patologiche umane, determinare le vie che regolano l’attività e l’espressione della proteina e identificare bersagli farmacologici per il trattamento della barriera emato – encefalica associata malattie.

Presi insieme, appena capillari cerebrali isolato possono servire come un modello affidabile e riproducibile della barriera sangue – cervello. In particolare, questo modello può essere abbinato molti diversi saggi per determinare una vasta gamma di endpoint per studiare la funzione di barriera.