دستیابی به درک بهتری از نحوه عملکرد سد خونی مغزی

تاکنون ثابت شده است که استفاده از مدل‌ها برای تحقیق در مورد مانعی که گردش خون را از سیستم عصبی جدا می‌کند، محدود یا بسیار پیچیده است. محققان ETH زوریخ مدل واقعی تری را توسعه داده اند که می تواند برای کشف بهتر درمان های جدید برای تومورهای مغزی نیز استفاده شود.

ماریو مودنا یک فوق دکترا در آزمایشگاه مهندسی زیستی در ETH زوریخ است. اگر او تحقیقات خود را در مورد سد خونی-مغزی – دیواری که از سیستم عصبی مرکزی ما در برابر مواد مضر در جریان خون محافظت می کند – برای یک کودک 11 ساله توضیح می داد، می گفت: “این دیوار مهم است، زیرا مانع از ورود افراد بد به مغز می شود.” او می گوید اگر مغز آسیب دیده یا بیمار باشد، سوراخ هایی در دیوار ظاهر می شود. گاهی اوقات، چنین سوراخ هایی واقعاً می توانند مفید باشند، به عنوان مثال، برای تأمین داروی فوری مورد نیاز مغز. بنابراین آنچه ما در تلاش برای درک آن هستیم این است که چگونه این دیوار را حفظ کنیم، آن را بشکنیم و دوباره آن را تعمیر کنیم.

این دیوار از دیدگاه پزشکی نیز مهم است، زیرا بسیاری از بیماری های سیستم عصبی مرکزی با آسیب به سد خونی مغزی مرتبط هستند. برای کشف نحوه عملکرد این مانع، دانشمندان اغلب آزمایشاتی را روی حیوانات زنده انجام می دهند. علاوه بر این که چنین آزمایش‌هایی نسبتاً گران هستند، سلول‌های حیوانی ممکن است تنها بخشی از تصویر آنچه در بدن انسان می‌گذرد را ارائه دهند. علاوه بر این، برخی از منتقدان وجود دارند که اعتبار اولیه آزمایش بر روی حیوانات را زیر سوال می برند. یک جایگزین این است که آزمایش‌ها را بر روی سلول‌های انسانی که در آزمایشگاه کشت شده‌اند، انجام دهیم.

ارتباط سلول-سلول تا حد زیادی نادیده گرفته شد

مشکل بسیاری از مدل‌های آزمایشگاهی این است که سد خونی مغزی را به روشی نسبتا ساده با استفاده از سلول‌های دیواره عروق خونی (سلول‌های اندوتلیال) بازسازی می‌کنند. این رویکرد نمی تواند ساختار پیچیده سیستم انسانی را نشان دهد و به عنوان مثال، ارتباط بین انواع مختلف سلول را نادیده می گیرد. علاوه بر این، بسیاری از این مدل ها ثابت هستند. به عبارت دیگر، سلول‌ها در یک سیستم تعلیق شناور هستند که حرکت نمی‌کند، که به این معنی است که جریان سیال یا تنش برشی سلول‌ها در بدن در معرض آن قرار نمی‌گیرد.

مدل‌های in-vitro پویا نیز وجود دارند که شرایط جریان را در بدنه شبیه‌سازی می‌کنند، اما نکته اینجاست که پمپ‌های مورد نیاز آن‌ها، تنظیمات آزمایشی را نسبتاً پیچیده می‌کنند. در کنار همه این چالش‌ها، مشکل اندازه‌گیری نیز وجود دارد: گرفتن تصاویر با وضوح بالا از تغییرات ساختاری در سد خونی مغزی در زمان واقعی و در عین حال اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی سد، که هر دو منعکس کننده فشردگی سد هستند، غیرممکن است. تنگی

کشتن چندین پرنده با یک سنگ

اگر هر یک از این چالش ها یک پرنده بود، سکوی مودنا همان سنگ ضرب المثلی بود که همه آنها را می کشد. مودنا و همکارانش که زیر نظر Andreas Hierlemann کار می کردند، سه سال و نیم را صرف توسعه مدل سد خونی مغزی سه بعدی میکروسیال باز کردند.

برای بازآفرینی این سد، تیم تحقیقاتی انواع سلول‌هایی را که به طور طبیعی سد خونی مغزی را تشکیل می‌دهند – سلول‌های اندوتلیال میکروواسکولار، آستروسیت‌های انسانی و پری‌سیت‌های انسانی – انتخاب کردند و آنها را در یک پلت فرم واحد ترکیب کردند. مودنا می‌گوید: «این استراتژی به ما این امکان را می‌دهد که تقریباً به طور کامل ساختار سلولی سه بعدی موجود در بدن انسان را تکرار کنیم. اما چیزی که واقعا استثنایی است این است که می‌توانیم نفوذپذیری سد را اندازه‌گیری کنیم و در عین حال تغییرات مورفولوژیکی آن را با استفاده از میکروسکوپ تایم لپس با وضوح بالا به طور همزمان ترسیم کنیم.

برای تسهیل این عمل مضاعف، محققان الکترودهای کاملاً شفاف را بر روی ورقه‌های شیشه‌ای در دو طرف مانع قرار دادند تا نفوذپذیری آن را اندازه‌گیری کنند، که در مقاومت الکتریکی در سراسر سد سلولی منعکس می‌شود. الکترودهای شفاف نسبت به انواع دیگر الکترودها، که شامل لایه‌های فلزی یا سازه‌های سیمی می‌شوند که ممکن است در تشخیص نوری و میکروسکوپ با وضوح بالا تداخل ایجاد کنند، برتری قاطعی دارند.

“بدون افزایش پیچیدگی”

برای تقلید از نحوه جریان سیال در بدن، محققان سکوی میکروسیال را با مخازن مایع در دو انتها روی نوعی الاکلنگ دریافتند. سپس گرانش جریان را آغاز کرد، که به نوبه خود نیروی برشی را روی سلول ها ایجاد کرد. Hierlemann مزیت این راه‌اندازی را توضیح می‌دهد: «از آنجایی که ما از هیچ پمپی استفاده نمی‌کنیم، می‌توانیم چندین سیستم مدل را به طور همزمان آزمایش کنیم، به عنوان مثال در یک انکوباتور، بدون افزایش پیچیدگی راه‌اندازی».

در مطالعه ای که اخیراً در مجله منتشر شده است علوم پیشرفتهمحققان مدل جدید سد خونی مغزی خود را در شرایط آزمایشگاهی ارائه و آزمایش کردند. آنها این سد را در معرض محرومیت از اکسیژن-گلوکز قرار دادند، همانطور که زمانی که شخصی سکته می کند اتفاق می افتد. مودنا می‌گوید: «این آزمایش‌ها به ما این امکان را داد که تغییرات سریعی را در مانع ایجاد کنیم و پتانسیل سکو را نشان دهیم.

از طریق این مطالعه، مودنا و همکارانش توانستند بیش از نشان دادن اینکه پلت فرم جدیدشان برای اندازه گیری مناسب است، انجام دهند. آنها همچنین کشف کردند که مقاومت الکتریکی مانع حتی قبل از اینکه دچار تغییرات مورفولوژیکی شود که نفوذپذیری آن را بیشتر می کند، کاهش می یابد. مودنا می گوید: «این یافته می تواند برای تحقیقات آینده مرتبط باشد.

این تیم همچنین مشاهده کردند که در آزمایش‌های کنترلی با استفاده از یک مدل استاتیک در شرایط آزمایشگاهی، مانع نفوذپذیرتر از راه‌اندازی دینامیکی جدید بود. مودنا می‌گوید: «روشن است که نیروی برشی که توسط جریان گرانشی ایجاد می‌شود، تشکیل یک لایه مانع متراکم‌تر را تقویت می‌کند، که تأیید می‌کند که جریان برای مدل‌های in-vitro نماینده چقدر مهم است.

Modena و Hierlemann معتقدند که مدل آنها تشخیص اینکه کدام مولکول ها مانع را تثبیت می کنند و همچنین کشف ترکیبات و روش های مناسب برای عبور از آن را آسان تر می کند که در درمان تومورهای مغزی مفید است. اما Hierlemann اشاره می کند که این مدل همچنین می تواند مسیر تحقیقات آتی in-vitro را تغییر دهد. “مزیت پلت فرم ما این است که سازگاری با سایر مدل های سلول اندوتلیال بسیار آسان است، جایی که ترکیبی از اندازه گیری های سفتی مانع و میکروسکوپ با وضوح بالا می تواند راه را برای تحقیقات جدید هموار کند.”

صنعت علاقه خود را به مدل جدید نشان داده است. یک شرکت داروسازی در حال حاضر با محققان در تماس است.