Разработана сверхточная модель ГЭБ
Воспалительный процесс в мозге учёные давно прозвали «тихим убийцей», поскольку он не вызывает боли, но вносит вклад в развитие таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Недавние исследования продемонстрировали, что воспаление может лежать в основе многих психических нарушений, начиная от ухудшения когнитивных способностей и заканчивая депрессией и шизофренией.
Для изучения этих патологий команда исследователей из Института интегративных исследований биологических систем и образования Вандербильта (Vanderbilt Institute for Integrative Biosystems Research and Education) под руководством биофизика Джона Виксво разработала микрофлюидное устройство, которое в точности моделирует гемато-энцефалический барьер (ГЭБ). В последние годы исследование принципов работы ГЭБ стало рассматриваться как приоритетная задача, поскольку учёные обнаружили, что это образование связано с различными нарушениями работы головного мозга.
Гемато-энцефалический барьер (ГЭБ) — это сеть специализированных клеток, которая окружает артерии и вены, находящиеся в головном мозге. Этот барьер формирует своеобразный шлюз, обеспечивающий клетки мозга необходимыми питательными веществами и защищающий их от опасных соединений.
Проект по разработке модели ГЭБ
На самом деле разработка модели ГЭБ — часть обширной программы «Тканевый процессор для исследования лекарств», бюджет которой составляет 70 млн долларов США. Программа финансируется Национальным центром продвинутых переводных научных исследований Национальных институтов здоровья. Её целью является разработка моделей человеческих органов на чипах для более быстрого, дешёвого и надёжного изучения безопасности и эффективности новых лекарств.
Надо сказать, учёные и раньше пытались создать подобные модели, однако они не были столь точными и либо были статичными, то есть не могли использоваться для изучения нарушений кровообращения, либо в них не хватало некоторых типов клеток, присутствующих в ГЭБ человека.
Из чего состоит устройство
Устройство, которое назвали NeuroVascular Unit, имеет небольшую полость толщиной менее 1 мм, а по объёму она сопоставима с одной миллионной человеческого мозга. Полость разделена тонкой пористой мембраной на верхнюю камеру — она воспроизводит сторону ГЭБ, обращённую к мозгу, и нижнюю — моделирующую кровеносный сосуд. Обе камеры подключены к отдельным микроканалам, оснащённым микронасосами, что позволяет наполнять камеры и изучать их работу независимо друг от друга.
В процессе создания модели ГЭБ учёные сначала перевернули NeuroVascular Unit так, чтобы камера, моделирующая кровеносный сосуд, оказалась сверху, и ввели в устройство клетки человеческого эндотелия. Исследователи обнаружили, что эндотелиальные клетки, если через камеру идёт стабильный поток жидкости, самостоятельно выстраиваются параллельно направлению этого потока. Эта ориентация клеток в пространстве, характерная для естественного ГЭБ, отсутствовала во многих предыдущих моделях.
Через день или два, когда эндотелиальные клетки присоединились к мембране, учёные снова перевернули устройство и ввели в него клетки ещё двух типов, участвующих в формировании ГЭБ. Наряду с астроцитами и периваскулярными клетками, оборачивающимися вокруг клеток эндотелия, в устройство были помещены нейроны, ответственные за регуляцию работы барьера. Все эти клетки разместились в «мозговой» камере, которая теперь была сверху. Пористая мембрана позволила новым клеткам установить физическую и химическую связь с клетками эндотелия — так же, как они сделали бы это в естественных условиях.
«Это один из самых захватывающих проектов из тех, в которых я принимала участие, — рассказала соавтор работы Диана Нили, доцент педиатрии из Медицинского центра Университета Вандербильта. — Хотя проект ещё в пелёнках, его потенциал огромен».
Одно из возможных применений устройства – разработка чипов, содержащих клетки конкретного пациента, благодаря чему будет возможно предсказать индивидуальную реакцию на различные препараты.
Серьёзный шаг в изучении воспалительного процесса
Предыдущие модели ГЭБ были способны продемонстрировать воспалительный процесс в мозге лишь отдельными «снимками» различных стадий. Благодаря новому устройству данный процесс можно наблюдать непрерывно, разработка смогла обеспечить учёных динамическим отображением реакции ГЭБ на системное воспаление.
В процессе исследований учёные ввели в устройство два различных соединения, известные своей способностью вызывать воспалительный процесс в мозге: крупные молекулы липополисахарида, находящегося на поверхности определённой бактерии, и «коктейль» из небольших белков, объединяемых под названием «цитокины» — они играют важную роль в формировании иммунного ответа.
«Одним из самых неожиданных открытий для нас стало то, что в ответ на контакт с этими соединениями ГЭБ начал активно синтезировать белки. Теперь нам нужно выяснить, что это за белки и какова их функция».
Учёные также обнаружили, что в ответ на воспаление обменные процессы в кровеносных сосудах ГЭБ ускорялись, в то время как метаболизм клеток мозга замедлялся. Это может свидетельствовать о том, что «кровеносная система пытается отреагировать, а мозг — защитить себя».