Розроблена надточна модель ГЕБ

Запальний процес в мозку вчені давно називають «тихим вбивцею», оскільки він не викликає болю, але вносить вклад в розвиток таких захворювань, як хвороба Альцгеймера і хвороба Паркінсона. Нещодавні дослідження продемонстрували, що запалення може лежати в основі багатьох психічних порушень, починаючи від погіршення когнітивних здібностей і закінчуючи депресією та шизофренією.

Для вивчення цих патологій команда дослідників з Інституту інтегративних досліджень біологічних систем і освіти Вандербільта (Vanderbilt Institute for Integrative Biosystems Research and Education) під керівництвом біофізика Джона Віксво розробила мікрофлюїдний пристрій, який в точності моделює гематоенцефалічний бар’єр (ГЕБ). В останні роки дослідження принципів роботи ГЕБ стало розглядатися як пріоритетне завдання, оскільки вчені виявили, що це утворення пов’язане з різними порушеннями роботи головного мозку.

Гематоенцефалічний бар’єр (ГЕБ) — це мережа спеціалізованих клітин, яка оточує артерії і вени, які знаходяться в головному мозку. Цей бар’єр формує своєрідний шлюз, що забезпечує клітини мозку необхідними поживними речовинами і захищає їх від небезпечних сполук.

Проект по розробці моделі ГЕБ

Насправді розробка моделі ГЕБ — частина великої програми «Тканинний процесор для дослідження ліків», бюджет якої становить 70 млн доларів США. Програма фінансується Національним центром просунутих наукових досліджень Національних інститутів здоров’я. Її метою є розробка моделей людських органів на чіпах для більш швидкого, дешевого і надійного вивчення безпеки та ефективності нових ліків.

Треба сказати, вчені і раніше намагалися створити подібні моделі, однак вони не були настільки точними і були статичними, тобто не могли використовуватися для вивчення порушень кровообігу, або в них не вистачало деяких типів клітин, присутніх у ГЕБ людини.

З чого складається пристрій

Пристрій, який назвали NeuroVascular Unit, має невелику порожнину товщиною менше 1 мм, а за обсягом вона порівняна з однією мільйонною людського мозку. Порожнина розділена тонкою пористою мембраною на верхню камеру — вона відтворює бік ГЕБ, звернену до мозку, і нижню — моделюючу кровоносну судину. Обидві камери підключені до окремих мікроканалів, оснащених мікронасосами, що дозволяє наповнювати камери і вивчати їх роботу незалежно одна від одної.

У процесі створення моделі ГЕБ вчені спочатку перевернули NeuroVascular Unit так, щоб камера, моделююча кровоносну судину, виявилася зверху, і ввели в пристрій клітини людського ендотелію. Дослідники виявили, що ендотеліальні клітини, якщо через камеру йде стабільний потік рідини, самостійно шикуються паралельно напрямку цього потоку. Ця орієнтація клітин у просторі, характерна для природного ГЕБ, була відсутня в багатьох попередніх моделях.

Через день або два, коли ендотеліальні клітини приєдналися до мембрани, вчені знову перевернули пристрій і ввели в нього клітини ще двох типів, що беруть участь у формуванні ГЕБ. Поряд з астроцитами та периваскулярними клітинами, що обертаються навколо клітин ендотелію, в пристрій були поміщені нейрони, відповідальні за регуляцію роботи бар’єру. Всі ці клітини розмістилися в «мозковій» камері, яка тепер була зверху. Пориста мембрана дозволила новим клітинам встановити фізичний і хімічний зв’язок з клітинами ендотелію — так само, як вони зробили б це в природних умовах.

«Це один з найбільш захоплюючих проектів з тих, у яких я брала участь, — розповіла співавтор роботи Діана Нілі, доцент педіатрії з Медичного центру Університету Вандербільта. — Хоча проект ще в пелюшках, його потенціал величезний».

Одне з можливих застосувань пристрою – розробка чіпів, що містять клітини конкретного пацієнта, завдяки чому буде можливо передбачити індивідуальну реакцію на різні препарати.

Серйозний крок у вивченні запального процесу

Попередні моделі ГЕБ були здатні продемонструвати запальний процес в мозку лише окремими «знімками» різних стадій. Завдяки новому пристрою даний процес можна спостерігати безперервно, розробка змогла забезпечити вчених динамічним відображенням реакції ГЕБ на системне запалення.

У процесі досліджень учені ввели в пристрій дві різні сполуки, відомі своєю здатністю викликати запальний процес в мозку: великі молекули ліпополісахариду, що знаходиться на поверхні певної бактерії, і «коктейль» з невеликих білків, що об’єднуються під назвою «цитокіни» — вони відіграють важливу роль у формуванні імунної відповіді.

«Одним з найбільш несподіваних відкриттів для нас стало те, що у відповідь на контакт з цими сполуками ГЕБ почав активно синтезувати білки. Тепер нам треба з’ясувати, що це за білки і яка їх функція».

Вчені також виявили, що у відповідь на запалення обмінні процеси в кровоносних судинах ГЕБ прискорювалися, в той час як метаболізм клітин мозку сповільнювався. Це може свідчити про те, що «кровоносна система намагається відреагувати, а мозок — захистити себе».