Разработана полнофункциональная модель гемато-энцефалического барьера

  • 08 декабря, 2016
    0 Comments

    Гемато-энцефалический барьер (ГЭБ) - физиологический барьер между кровеносной системой и центральной нервной системой. Междисциплинарная команда исследователей из Института интегративных исследований биологических систем и образования Вандербильта (Vanderbilt Institute for Integrative Biosystems Research and Education) под руководством биофизика Джона Виксво (John Wikswo) сообщила о завершении разработки микрофлюидного устройства, которое обошло ограничения предыдущих моделей 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 — от инсульта и болезни Альцгеймера до последствий черепно-мозговой травмы, болезни Паркинсона и воспаления мозга.

    Несмотря на важность задачи, учёные столкнулись с серьёзными трудностями при разработке достоверных лабораторных моделей сложной системы, защищающей мозг. Первые устройства либо были статичными и не могли использоваться для изучения нарушений кровообращения, либо в них не хватало некоторых типов клеток, присутствующих в ГЭБ человека.

    Новое устройство, получившее название NeuroVascular Unit, лишено упомянутых недостатков и представляет собой "ГЭБ на чипе". В NeuroVascular Unit имеется небольшая полость толщиной менее 1 мм. Её размеры — 5 мм в длину, 2,5 мм в ширину, 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 NeuroVascular Unit 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.

    По мнению одного из участников проекта, Аарона Боумана (Aaron Bowman), доцента педиатрии, неврологии и биохимии из того же центра, одним из возможных применений NeuroVascular Unit станет разработка чипов, содержащих клетки конкретного пациента, благодаря чему будет возможно предсказать индивидуальную реакцию на различные препараты.

    «Завершив разработку NeuroVascular Unit, мы подвергли его серии испытаний. Все тесты устройство прошло на „отлично“, что даёт нам возможность утверждать, что мы создали полнофункциональную модель ГЭБ», — рассказывает сотрудница института Жаклин Браун (Jacquelyn Brown), являющаяся также первым автором статьи "Recreating blood-brain barrier physiology and structure on chip: A novel neurovascular microfluidic bioreactor", которая была опубликована в издании Biomicrofluidics.

     

    Группа исследователей уже использовала NeuroVascular Unit, чтобы преодолеть основные ограничения предыдущих работ по изучению воспалительного процесса в головном мозге. В ранних исследованиях этот процесс был представлен отдельными «снимками» различных стадий. Поскольку реакции, идущие в NeuroVascular Unit, можно наблюдать непрерывно, устройство смогло обеспечить учёных динамическим отображением реакции ГЭБ на системное воспаление.

    Результаты работы были описаны в статье "Metabolic consequences of inflammatory disruption of the blood-brain barrier in an organ-on-chip model of the human neurovascular unit", принятой к публикации в издании Journal of Neuroinflammation.

    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 цитокинов — 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, — отметила Браун. — 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. По мнению Браун, это может свидетельствовать о том, что «кровеносная система пытается отреагировать, а мозг — защитить себя».

    Источникhttp://22century.ru/medicine-and-health/39158

  • Экспертная колонка

    27 марта 2017

    Термин «стволовые клетки» придумал русский ученый А.А. Максимов еще в начале прошлого века, исследуя процесс кроветворения, затем А.Я. Фриденштейн доказал наличие других, не только кроветворных стволовых клеток. С тех пор мировая наука существенно продвинулась в изучении этого вопроса.

    Сегодня известно, что стволовые клетки являются основой самоподдержания и обновления организма человека. Установлено, что они входят в состав не только костного мозга, но и соматических и висцеральных тканей нашего организма. С различной степенью регулярности эти клетки обновляются, тем самым поддерживая здоровье человека на должном уровне.

    Некоторые клетки организма обновляются раз в две недели, а другие – раз в год, третьи – не обновляются совсем (например, нейроны), однако возраст и болезни уменьшают их количество. Таким образом, резерв стволовых клеток, «перезагружающих» и «ремонтирующих» наш организм истощается. Стало очевидно, что нужно повышать их потенциал, для чего можно, например, изымать стволовые клетки из организма, приумножать их в сотни, тысячи раз и вводить обратно. Кроме того, ученые с помощью стволовых клеток научились выращивать ткани и некоторые органы.

    Однако академик считает, что это не решит проблемы, потому что благодаря развитию медицины продолжительность жизни человека растет с каждым годом. Это может приводить к тому, что будет появляться все больше пациентов, которые будут нуждаться в органах для трансплантации: сердце, почках, печени, легких.

    Решение проблемы и логичное развитие регенеративной медицины он видит не в том, чтобы искусственно вырастить орган и подсадить его человеку (своего рода «паллиативное решение проблемы»), но научиться контролировать обновление клеток и программировать эту регенерацию внутри человеческого организма.

  • Видео недели

    Ученые из клиники Майо решили изучить влияние микрогравитации на рост и биологические свойства стволовых клеток, для чего в ближайшее время будет подготовлен эксперимент по культивирования стволовых клеток человека на МКС. Спицалисты считают, что микрогравитация и невесомость могут не просто менять регенеративный потенциал стволовых клеток, но и стать новым способом более эффективного культивирования и найти свое применение в тканевой инженерии.

  • Twitter лента