Reconstruction de la barrière hémato-encéphalique in vitro pour modéliser et cibler thérapeutiquement les maladies neurologiques

La barrière hémato-encéphalique (BHE) est un réseau microvasculaire clé qui sépare le système nerveux central (SNC) de la périphérie afin de maintenir un environnement idéal pour le bon fonctionnement neuronal. Il joue un rôle essentiel dans la régulation de l’afflux et de l’efflux de substances dans le SNC^pt maintenant l’homéostasie métabolique 1,2,3,4, en éliminant les déchets ^4,5,6 et en protégeant le cerveau des agents pathogènes et des toxines ^7,8.

Le principal type de cellule de la BHE est la cellule endothéliale (CE). Les cellules endothéliales, issues de la lignée du mésoderme, forment les parois du système vasculaire ^1,9. Les CE microvasculaires forment des jonctions serrées les unes avec les autres pour réduire considérablement la perméabilité de leur membrane 10,11,12,13,14 tout en exprimant des transporteurs pour faciliter le mouvement des nutriments dans et hors du SNC 1,4,12,14 . Les CE microvasculaires sont entourées de cellules péricytaires (PC) murales qui régulent la fonction microvasculaire et l’homéostasie et sont essentielles à la régulation de la perméabilité de la BHE aux molécules et aux cellules immunitaires 15,16,17. L’astrocyte, un type majeur de cellules gliales, est le dernier type de cellule composant la BHE. Les extrémités des astrocytes s’enroulent autour des tubes vasculaires EC-PC tandis que les corps cellulaires s’étendent dans le parenchyme cérébral, formant une connexion entre les neurones et le système vasculaire¹. Des transporteurs distincts de solutés et de substrats sont localisés sur les extrémités des astrocytes (p. ex., l’aquaporine 4 [AQP-4]) qui jouent un rôle essentiel dans la fonction de la BHE 18,19,20,21.

La BHE est essentielle au maintien d’une bonne santé cérébrale, et un dysfonctionnement de la BHE a été signalé dans de nombreuses maladies neurologiques, notamment la maladie d’Alzheimer (MA)22,23,24,25, la sclérose en plaques 7,26,27,28, l’épilepsie ^29,30 et les accidents vasculaires cérébraux^31,32. Il est de plus en plus reconnu que les anomalies cérébrovasculaires jouent un rôle central dans la neurodégénérescence, contribuant à une susceptibilité accrue aux événements ischémiques et hémorragiques. Par exemple, plus de 90 % des patients atteints de la maladie d’Alzheimer souffrent d’angiopathie amyloïde cérébrale (AAC), une affection caractérisée par le dépôt de β amyloïde (Aβ) le long du système vasculaire cérébral. L’ACA augmente la perméabilité à la BHE et diminue la fonction de la BHE, ce qui rend le SNC vulnérable à l’ischémie, aux événements hémorragiques et au déclin cognitif accéléré³³.

Nous avons récemment développé un modèle in vitro de la BHE humaine, dérivé de cellules souches pluripotentes induites par le patient, qui intègre des CE, des PC et des astrocytes encapsulés dans une matrice 3D (Figure 1A). L’iBBB récapitule les interactions physiologiquement pertinentes, y compris la formation du tube vasculaire et la localisation des extrémités des astrocytes avec le système vasculaire²⁴. Nous avons appliqué l’iBBB pour modéliser la susceptibilité à l’ACA médiée par l’APOE4 (Figure 1B). Cela nous a permis d’identifier les mécanismes cellulaires et moléculaires causaux par lesquels l’APOE4 favorise l’AAC, et de tirer parti de ces connaissances pour développer des stratégies thérapeutiques qui réduisent la pathologie de l’AAC et améliorent l’apprentissage et la mémoire in vivo chez les souris APOE4²⁴. Ici, nous fournissons un protocole détaillé et un tutoriel vidéo pour reconstruire la BHE à partir de cellules iPS humaines et modéliser l’ACA in vitro.