Rekonstruktion der Blut-Hirn-Schranke in vitro zur Modellierung und therapeutischen Behandlung neurologischer Erkrankungen

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist ein wichtiges mikrovaskuläres Netzwerk, das das zentrale Nervensystem (ZNS) von der Peripherie trennt, um eine ideale Umgebung für die ordnungsgemäße neuronale Funktion aufrechtzuerhalten. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Ein- und Ausflusses von Substanzen in das ZNS, indem es die metabolische Homöostase aufrechterhält 1,2,3,4, Abfallstoffe ^{beseitigt 4,5,6} und das Gehirn vor Krankheitserregern und Toxinen schützt ^7,8.

Der primäre Zelltyp der BHS ist die Endothelzelle (EC). Endothelzellen, die aus der Mesodermlinie stammen, bilden die Wände des Gefäßsystems ^1,9. Mikrovaskuläre ECs bilden Tight Junctions miteinander, um die Permeabilität ihrer Membran stark zu verringern 10,11,12,13,14 während sie Transporter exprimieren, um den Transport von Nährstoffen in und aus dem ZNS zu erleichtern 1,4,12,14 . Mikrovaskuläre ECs sind von Perizyten (PCs) umgeben, die die mikrovaskuläre Funktion und Homöostase regulieren und für die Regulierung der Permeabilität der BHS für Moleküle und Immunzellen entscheidend sind 15,16,17. Der Astrozyt, ein wichtiger Gliazelltyp, ist der letzte Zelltyp, aus dem die BHS besteht. Die Endfüße der Astrozyten wickeln sich um die EC-PC-Gefäßröhren, während sich die Zellkörper in das Hirnparenchym erstrecken und eine Verbindung zwischen Neuronen und Gefäßen bilden¹. Unterschiedliche Stoff- und Substrattransporter sind auf den Endfüßen der Astrozyten lokalisiert (z. B. Aquaporin 4 [AQP-4]), die eine entscheidende Rolle bei der BHS-Funktion spielen 18,19,20,21.

Die BHS ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der ordnungsgemäßen Gehirngesundheit, und Funktionsstörungen der BHS wurden bei vielen neurologischen Erkrankungen berichtet, darunter Alzheimer-Krankheit (AD)22,23,24,25, Multiple Sklerose ^7,26,27,28, Epilepsie^29,30 und Schlaganfall^31,32. Es wird zunehmend anerkannt, dass zerebrovaskuläre Anomalien eine zentrale Rolle bei der Neurodegeneration spielen und zu einer erhöhten Anfälligkeit für ischämische und hämorrhagische Ereignisse beitragen. Zum Beispiel leiden mehr als 90 % der Alzheimer-Patienten an zerebraler Amyloid-Angiopathie (CAA), einer Erkrankung, die durch die Ablagerung von Amyloid-β (Aβ) entlang des zerebralen Gefäßsystems gekennzeichnet ist. CAA erhöht die BHS-Permeabilität und verringert die BHS-Funktion, wodurch das ZNS anfällig für Ischämie, hämorrhagische Ereignisse und beschleunigten kognitiven Verfall wird³³.

Wir haben kürzlich ein In-vitro-Modell der menschlichen BHS entwickelt, das aus patienteninduzierten pluripotenten Stammzellen gewonnen wird und ECs, PCs und Astrozyten enthält, die in einer 3D-Matrix eingekapselt sind (Abbildung 1A). Die iBBB rekapituliert physiologisch relevante Interaktionen, einschließlich der Gefäßtubenbildung und der Lokalisation von Astrozyten-Endfüßen mit dem Gefäßsystem²⁴. Wir haben die iBBB angewendet, um die Suszeptibilität von CAA zu modellieren, die durch APOE4 vermittelt wird (Abbildung 1B). Dies ermöglichte es uns, die kausalen zellulären und molekularen Mechanismen zu identifizieren, durch die APOE4 CAA fördert, und diese Erkenntnisse zu nutzen, um therapeutische Strategien zu entwickeln, die die CAA-Pathologie reduzieren und das Lernen und Gedächtnis in vivo in APOE4-Mäusen verbessern²⁴. Hier stellen wir ein detailliertes Protokoll und ein Video-Tutorial zur Verfügung, um die BHS aus humanen iPS-Zellen zu rekonstruieren und CAA in vitro zu modellieren.