JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

إعادة بناء الحاجز الدموي الدماغي في المختبر لنمذجة الأمراض العصبية واستهدافها علاجيا

Published: October 20, 2023
doi:
10.3791/65921
, , , , , , ,
1Icahn School of Medicine at Mount Sinai, 2Black Family Stem Cell Institute at Mount Sinai, 3Ronald M. Loeb Center for Alzheimer’s Disease at Mount Sinai, 4Friedman Brain Institute at Mount Sinai, 5Nash Family Department of Neuroscience at Mount Sinai

Summary

يلعب الحاجز الدموي الدماغي (BBB) دورا حاسما في الحفاظ على بيئة دماغية مستقرة وصحية. يرتبط خلل BBB بالعديد من الأمراض العصبية. لقد قمنا بتطوير نموذج 3D ، مشتق من الخلايا الجذعية من BBB للتحقيق في أمراض الأوعية الدموية الدماغية ، وسلامة BBB ، وكيف يتم تغيير BBB عن طريق علم الوراثة والمرض.

Abstract

الحاجز الدموي الدماغي (BBB) هو مكون فسيولوجي رئيسي للجهاز العصبي المركزي (CNS) ، حيث يحافظ على العناصر الغذائية ، ويزيل النفايات ، ويحمي الدماغ من مسببات الأمراض. تشكل خصائص الحاجز المتأصل في BBB تحديا لتوصيل الأدوية العلاجية إلى الجهاز العصبي المركزي لعلاج الأمراض العصبية. ارتبط ضعف وظيفة BBB بالأمراض العصبية. اعتلال الأوعية النشواني الدماغي (CAA) ، ترسب الأميلويد في الأوعية الدموية الدماغية مما يؤدي إلى BBB للخطر ، هو اعتلال مشترك في معظم حالات مرض الزهايمر (AD) ، مما يشير إلى أن خلل BBB أو الانهيار قد يكون متورطا في التنكس العصبي. نظرا لمحدودية الوصول إلى أنسجة BBB البشرية ، تظل الآليات التي تساهم في وظيفة BBB المناسبة وانحطاط BBB غير معروفة. لمعالجة هذه القيود ، قمنا بتطوير BBB مشتق من الخلايا الجذعية البشرية متعددة القدرات (iBBB) من خلال دمج الخلايا البطانية ، pericytes ، والخلايا النجمية في مصفوفة 3D. يتجمع iBBB ذاتيا لتلخيص التشريح والتفاعلات الخلوية الموجودة في BBB. يلتقط بذر iBBBs باستخدام الأميلويد الجوانب الرئيسية ل CAA. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر iBBB منصة مرنة لتعديل العوامل الوراثية والبيئية المتورطة في الأمراض الدماغية الوعائية والتنكس العصبي ، للتحقيق في كيفية تأثير الوراثة ونمط الحياة على مخاطر المرض. أخيرا ، يمكن استخدام iBBB لفحص الأدوية ودراسات الكيمياء الطبية لتحسين التسليم العلاجي إلى الجهاز العصبي المركزي. في هذا البروتوكول ، نصف تمايز الأنواع الثلاثة من الخلايا (الخلايا البطانية ، pericytes ، والخلايا النجمية) الناشئة عن الخلايا الجذعية البشرية متعددة القدرات ، وكيفية تجميع الخلايا المتمايزة في iBBB ، وكيفية نمذجة CAA في المختبر باستخدام الأميلويد الخارجي. يتغلب هذا النموذج على التحدي المتمثل في دراسة أنسجة المخ البشرية الحية بنظام يتمتع بكل من الدقة البيولوجية والمرونة التجريبية ، ويتيح استجواب BBB البشري ودوره في التنكس العصبي.

Introduction

الحاجز الدموي الدماغي (BBB) هو شبكة الأوعية الدموية الدقيقة الرئيسية التي تفصل الجهاز العصبي المركزي (CNS) عن المحيط للحفاظ على بيئة مثالية للوظيفة العصبية المناسبة. له دور حاسم في تنظيم تدفق وتدفق المواد إلى الجهاز العصبي المركزي من خلال الحفاظ على التوازن الأيضي1،2،3،4 ، وإزالة النفايات4،5،6 ، وحماية الدماغ من مسببات الأمراض والسموم7،8.

نوع الخلية الأولية ل BBB هو الخلية البطانية (EC). تشكل الخلايا البطانية ، المشتقة من سلالة الأديم المتوسط ، جدران الأوعية الدموية 1,9. تشكل ECs الأوعية الدموية الدقيقة تقاطعات ضيقة مع بعضها البعض لتقليل نفاذية غشائها بشكل كبير10،11،12،13،14 أثناء التعبير عن الناقلات لتسهيل حركة العناصر الغذائية داخل وخارج الجهاز العصبي المركزي1،4،12،14. يتم إحاطة ECs الأوعية الدموية الدقيقة بواسطة الخلايا الجدارية (PCs) التي تنظم وظيفة الأوعية الدموية الدقيقة والتوازن وهي ضرورية لتنظيم نفاذية BBB للجزيئات والخلايا المناعية15،16،17. الخلية النجمية ، وهي نوع من الخلايا الدبقية الرئيسية ، هي نوع الخلية النهائي الذي يتكون من BBB. تلتف أقدام نهاية الخلايا النجمية حول الأنابيب الوعائية EC-PC بينما تمتد أجسام الخلايا إلى حمة الدماغ ، وتشكل اتصالا بين الخلايا العصبية والأوعية الدموية1. يتم تحديد ناقلات المذاب والركيزة المتميزة على أقدام نهاية الخلايا النجمية (على سبيل المثال ، aquaporin 4 [AQP-4]) التي لها دور حاسم في وظيفة BBB18،19،20،21.

يعد BBB أمرا بالغ الأهمية في الحفاظ على وظيفة صحة الدماغ المناسبة ، وقد تم الإبلاغ عن خلل وظيفي في BBB في العديد من الأمراض العصبية ، بما في ذلك مرض الزهايمر (AD) 22،23،24،25 ، والتصلب المتعدد7،26،27،28 ، والصرع29،30 ، والسكتة الدماغية31،32. من المعترف به بشكل متزايد أن التشوهات الوعائية الدماغية تلعب دورا مركزيا في التنكس العصبي ، مما يساهم في زيادة التعرض للأحداث الإقفارية والنزفية. على سبيل المثال ، يعاني أكثر من 90٪ من مرضى الزهايمر من اعتلال الأوعية النشواني الدماغي (CAA) ، وهي حالة تتميز بترسب β الأميلويد (Aβ) على طول الأوعية الدموية الدماغية. يزيد CAA من نفاذية BBB ويقلل من وظيفة BBB ، مما يجعل الجهاز العصبي المركزي عرضة لنقص التروية والأحداث النزفية والتدهور المعرفي المتسارع33.

لقد طورنا مؤخرا نموذجا في المختبر ل BBB البشري ، مشتقا من الخلايا الجذعية متعددة القدرات التي يسببها المريض ، والتي تتضمن ECs وأجهزة الكمبيوتر والخلايا النجمية المغلفة في مصفوفة 3D (الشكل 1A). يلخص iBBB التفاعلات ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية ، بما في ذلك تكوين أنبوب الأوعية الدموية وتوطين أقدام نهاية الخلايا النجمية مع الأوعية الدموية24. قمنا بتطبيق iBBB لنمذجة حساسية CAA بوساطة APOE4 (الشكل 1B). وقد مكننا ذلك من تحديد الآليات الخلوية والجزيئية السببية التي يعزز بها APOE4 CAA ، والاستفادة من هذه الأفكار لتطوير استراتيجيات علاجية تقلل من أمراض CAA وتحسن التعلم والذاكرة في الجسم الحي في الفئران APOE424. هنا ، نقدم بروتوكولا مفصلا وفيديو تعليمي لإعادة بناء BBB من iPSCs البشرية ونمذجة CAA في المختبر.

Protocol

1. التمييز بين iPSCs إلى خلايا iBBB ملاحظة: سبق وصف بروتوكولات التمايز هذه في Mesentier-Louro et al.34. طلاء لوحات ثقافة الخلاياذوبان الجليد خفضت مصفوفة غشاء عامل النمو (GF) بين عشية وضحاها عند 4 °C. تمييع 500 ميكرولتر من مصفوفة الغشاء القاعدي في 49.5 مل من DMEM. حافظ ?…

Representative Results

يتجمد iBBB المشكل بشكل صحيح في قرص شفاف واحد (الشكل 3 أ). من الطبيعي أن ينفصل iBBB عن السطح الذي تم سحبه عليه لأول مرة بعد بضعة أيام. لا يمكن تجنب ذلك ، ولكنه ليس مصدر قلق كبير للتكوين الصحيح ل iBBB إذا تم توخي الحذر عند تغيير الوسائط لعدم استنشاق iBBB عن طريق الخطأ. بعد 24 ساعة ، موزعة با…

Discussion

خلل BBB هو مراضة مشتركة ، ويحتمل أن يكون سببا أو عاملا مفاقم في العديد من الأمراض العصبية7،40،41. ومع ذلك ، يكاد يكون من المستحيل دراسة البيولوجيا الجزيئية والخلوية الكامنة وراء الخلل الوظيفي وانهيار BBB في البشر المصابين بأمراض الأوعية الدمو…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

يتم دعم هذا العمل من قبل NIH 3-UG3-NS115064-01 و R01NS14239 وصندوق علاج الزهايمر ووكالة ناسا 80ARCO22CA004 ومبادرة تشان زوكربيرج ومؤسسة MJFF / ASAP وجمعية إصابات الدماغ الأمريكية. يتم دعم CG من قبل المعاهد الوطنية للصحة F31NS130909. تم إنشاء الشكل 1A باستخدام BioRender.com.

Materials

6e10 amyloid-β antibody Biolegend SIG-39320 Used at 1:1000
Accutase Innovative Cell Technologies AT104
Activin A Peprotech 20-14E
Alexa Fluor 488, 555, 647 secondary antibodies Invitrogen Various Used at 1:1000
Amyloid-beta 40 fibril AnaSpec AS-24235
Amyloid-beta 42 fibril AnaSpec AS-20276
Aquaporin-4 antibody Invitrogen PA5-53234 Used at 1:300
Astrocyte basal media and supplements ScienCell 1801
B-27 serum-free supplement Gibco 17504044
BMP4 Peprotech 120-05ET
CHIR99021 Cyamn Chemical 13112
DMEM/F12 with GlutaMAX medium Gibco 10565018
Doxycycline Millipore-Sigma D3072-1ML
FGF-basic Peprotech 100-18B
Fluoromount-G slide mounting medium VWR 100502-406
Forskolin R&D Systems 1099/10
GeltrexTM LDEV-Free hESC-qualified Reduced Growth Factor Basement  Gibco A1413302
Glass Bottom 48-well Culture Dishes Mattek Corporation P48G-1.5-6-F
GlutaMAX supplement Gibco 35050061
Hoechst 33342  Invitrogen H3570
Human Endothelial Serum-free medium Gibco 11111044
LDN193189 Tocris 6053
Minimum Essential Medium Non-essential Amino Acid Solution (MEM-NEAA)  Gibco 11140050
N-2 supplement Gibco 17502048
Neurobasal medium Gibco 21103049
Normal Donkey Serum Millipore-Sigma S30-100mL Use serum to match secondary antibody host
Paraformaldehyde (PFA)  ThermoFisher 28908
PDGF-BB Peprotech 100-14B
PDGFRB (Platelet-derived growth factor receptor beta) antibody R&D Systems AF385 Used at 1:500
Phosphate Buffered Saline (PBS), pH 7.4 Gibco 10010031
Pecam1 (Platelet endothelial cell adhesion molecule 1) antibody R&D Systems AF806 Used at 1:500
Penicillin-Streptomycin Gibco 15140122
PiggyBac plasmid (PB_iETV2_P2A_GFP_Puro) AddGene  Catalog #168805
S100B antibody Sigma-Aldrich S2532-100uL Used at 1:500
SB43152 Reprocell 04-0010
Thioflavin T Chem Impex 22870 Used at 25uM
Triton X-100  Sigma-Aldrich T8787-250mL
VE-cadherin (CD144) antibody R&D systems AF938 Used at 1:500
VEGF-A Peprotech 100-20
Y27632 R&D Systems 1254/10
ZO-1 Invitrogen MA3-39100-A488 Dilution = 1:500
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Daneman, R., Prat, A. The blood-brain barrier. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 7 (1), a020412 (2015).
  2. Segarra, M., Aburto, M. R., Acker-Palmer, A. Blood-brain barrier dynamics to maintain brain homeostasis. Trends in Neurosciences. 44 (5), 393-405 (2021).
  3. Campos-Bedolla, P., Walter, F. R., Veszelka, S., Deli, M. A. Role of the blood-brain barrier in the nutrition of the central nervous system. Archives of Medical Research. 45 (8), 610-638 (2014).
  4. Hladky, S. B., Barrand, M. A. Fluid and ion transfer across the blood-brain and blood-cerebrospinal fluid barriers; a comparative account of mechanisms and roles. Fluids and Barriers of the CNS. 13 (1), 19 (2016).
  5. Kaur, J., et al. Waste clearance in the brain. Frontiers in Neuroanatomy. 15, 665803 (2021).
  6. Verheggen, I. C. M., Van Boxtel, M. P. J., Verhey, F. R. J., Jansen, J. F. A., Backes, W. H. Interaction between blood-brain barrier and glymphatic system in solute clearance. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 90, 26-33 (2018).
  7. Weiss, N., Miller, F., Cazaubon, S., Couraud, P. O. The blood-brain barrier in brain homeostasis and neurological diseases. Biochimica et Biophysica Acta. 1788 (4), 842-857 (2009).
  8. Prinz, M., Priller, J. The role of peripheral immune cells in the cns in steady state and disease. Nature Neuroscience. 20 (2), 136-144 (2017).
  9. Weksler, B. B., et al. Blood-brain barrier-specific properties of a human adult brain endothelial cell line. FASEB Journal. 19 (13), 1872-1874 (2005).
  10. Liu, W. Y., Wang, Z. B., Zhang, L. C., Wei, X., Li, L. Tight junction in blood-brain barrier: An overview of structure, regulation, and regulator substances. CNS Neuroscience & Therapeutics. 18 (8), 609-615 (2012).
  11. Siegenthaler, J. A., Sohet, F., Daneman, R. Sealing off the cns’: Cellular and molecular regulation of blood-brain barriergenesis. Current Opinion in Neurobiology. 23 (6), 1057-1064 (2013).
  12. Brightman, M. W., Reese, T. S. Junctions between intimately apposed cell membranes in the vertebrate brain. Journal of Cell Biology. 40 (3), 648-677 (1969).
  13. Reese, T. S., Karnovsky, M. J. Fine structural localization of a blood-brain barrier to exogenous peroxidase. Journal of Cell Biology. 34 (1), 207-217 (1967).
  14. Mahringer, A., Fricker, G. Abc transporters at the blood-brain barrier. Expert Opinion on Drug Metabolism & Toxicology. 12 (5), 499-508 (2016).
  15. Armulik, A., Genove, G., Betsholtz, C. Pericytes: Developmental, physiological, and pathological perspectives, problems, and promises. Developmental Cell. 21 (2), 193-215 (2011).
  16. Armulik, A., et al. Pericytes regulate the blood-brain barrier. Nature. 468 (7323), 557-561 (2010).
  17. Daneman, R., Zhou, L., Kebede, A. A., Barres, B. A. Pericytes are required for blood-brain barrier integrity during embryogenesis. Nature. 468 (7323), 562-566 (2010).
  18. Abbott, N. J., Ronnback, L., Hansson, E. Astrocyte-endothelial interactions at the blood-brain barrier. Nature Reviews. Neuroscience. 7 (1), 41-53 (2006).
  19. Heithoff, B. P., et al. Astrocytes are necessary for blood-brain barrier maintenance in the adult mouse brain. Glia. 69 (2), 436-472 (2021).
  20. Verkman, A. S. Aquaporin water channels and endothelial cell function. Journal of Anatomy. 200 (6), 617-627 (2002).
  21. Wolburg, H., Lippoldt, A. Tight junctions of the blood-brain barrier: Development, composition and regulation. Vascular Pharmacology. 38 (6), 323-337 (2002).
  22. Sagare, A. P., Bell, R. D., Zlokovic, B. V. Neurovascular dysfunction and faulty amyloid beta-peptide clearance in alzheimer disease. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 2 (10), a011452 (2012).
  23. Kapasi, A., Schneider, J. A. Vascular contributions to cognitive impairment, clinical alzheimer’s disease, and dementia in older persons. Biochimica et Biophysica Acta. 1862 (5), 878-886 (2016).
  24. Blanchard, J. W., et al. Reconstruction of the human blood-brain barrier in vitro reveals a pathogenic mechanism of apoe4 in pericytes. Nature Medicine. 26 (6), 952-963 (2020).
  25. Huang, Z., et al. Blood-brain barrier integrity in the pathogenesis of alzheimer’s disease. Frontiers in Neuroendocrinology. 59, 100857 (2020).
  26. Morgan, L., et al. Inflammation and dephosphorylation of the tight junction protein occludin in an experimental model of multiple sclerosis. Neuroscience. 147 (3), 664-673 (2007).
  27. Kirk, J., Plumb, J., Mirakhur, M., Mcquaid, S. Tight junctional abnormality in multiple sclerosis white matter affects all calibres of vessel and is associated with blood-brain barrier leakage and active demyelination. Journal of Pathology. 201 (2), 319-327 (2003).
  28. Balasa, R., Barcutean, L., Mosora, O., Manu, D. Reviewing the significance of blood-brain barrier disruption in multiple sclerosis pathology and treatment. International Journal of Molecular Sciences. 22 (16), 8370 (2021).
  29. Marchi, N., Granata, T., Ghosh, C., Janigro, D. Blood-brain barrier dysfunction and epilepsy: Pathophysiologic role and therapeutic approaches. Epilepsia. 53 (11), 1877-1886 (2012).
  30. Kiani, L. Blood-brain barrier disruption following seizures. Nature Reviews. Neurology. 19 (4), 2023 (2023).
  31. Knowland, D., et al. Stepwise recruitment of transcellular and paracellular pathways underlies blood-brain barrier breakdown in stroke. Neuron. 82 (3), 603-617 (2014).
  32. Okada, T., Suzuki, H., Travis, Z. D., Zhang, J. H. The stroke-induced blood-brain barrier disruption: Current progress of inspection technique, mechanism, and therapeutic target. Current Neuropharmacology. 18 (12), 1187-1212 (2020).
  33. Gireud-Goss, M., Mack, A. F., Mccullough, L. D., Urayama, A. Cerebral amyloid angiopathy and blood-brain barrier dysfunction. Neuroscientist. 27 (6), 668-684 (2021).
  34. Mesentier-Louro, L. A., Suhy, N., Broekaart, D., Bula, M., Pereira, A. C., Blanchard, J. W. Modeling the blood-brain barrier using human-induced pluripotent stem cells. Methods in Molecular Biology. 2683, 135-151 (2023).
  35. Qian, T., et al. Directed differentiation of human pluripotent stem cells to blood-brain barrier endothelial cells. Science Advances. 3 (11), e1701679 (2017).
  36. Wang, K., et al. Robust differentiation of human pluripotent stem cells into endothelial cells via temporal modulation of etv2 with modified mrna. Science Advances. 6 (30), eaba7606 (2020).
  37. Patsch, C., et al. Generation of vascular endothelial and smooth muscle cells from human pluripotent stem cells. Nature Cell Biology. 17 (8), 994-1003 (2015).
  38. Chambers, S. M., et al. Highly efficient neural conversion of human es and ips cells by dual inhibition of smad signaling. Nature Biotechnology. 27 (3), 275-280 (2009).
  39. Tcw, J., et al. An efficient platform for astrocyte differentiation from human induced pluripotent stem cells. Stem Cell Reports. 9 (2), 600-614 (2017).
  40. Zlokovic, B. V. The blood-brain barrier in health and chronic neurodegenerative disorders. Neuron. 57 (2), 178-201 (2008).
  41. Daneman, R. The blood-brain barrier in health and disease. Annals of Neurology. 72 (5), 648-672 (2012).
  42. Cecchelli, R., et al. Modelling of the blood-brain barrier in drug discovery and development. Nature Reviews. Drug Discovery. 6 (8), 650-661 (2007).
  43. Helms, H. C., et al. In vitro models of the blood-brain barrier: An overview of commonly used brain endothelial cell culture models and guidelines for their use. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 36 (5), 862-890 (2016).
  44. Erickson, M. A., Wilson, M. L., Banks, W. A. In vitro modeling of blood-brain barrier and interface functions in neuroimmune communication. Fluids Barriers CNS. 17 (1), 26 (2020).
  45. Musafargani, S., et al. Blood brain barrier: A tissue engineered microfluidic chip. Journal of Neuroscience Methods. 331, 108525 (2020).
  46. Hajal, C., et al. Engineered human blood-brain barrier microfluidic model for vascular permeability analyses. Nature Protocols. 17 (1), 95-128 (2022).
  47. Oddo, A., et al. Advances in microfluidic blood-brain barrier (bbb) models. Trends in Biotechnology. 37 (12), 1295-1314 (2019).

Tags

Blood-brain BarrierIn Vitro ModelAlzheimer’s DiseaseNeurodegenerationCerebrovascular PathologyAPOE4AmyloidInduced Pluripotent Stem CellsPersonalized TherapyDrug Screening3D ModelBBB FunctionCerebral Amyloid Angiopathy

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Goldman, C., Suhy, N., Schwarz, J. E., Sartori, E. R., Rooklin, R. B., Schuldt, B. R., Mesentier-Louro, L. A., Blanchard, J. W. Reconstruction of the Blood-Brain Barrier In Vitro to Model and Therapeutically Target Neurological Disease. J. Vis. Exp. (200), e65921, doi:10.3791/65921 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image