Neurodegeneratieve ziekten, waaronder de ziekte van Alzheimer, Parkinson en amyotrofe laterale sclerose (ALS), zijn het gevolg van de progressieve achteruitgang van de functies van de hersenen en het zenuwstelsel, voornamelijk door veroudering. Een Koreaans team van onderzoekers heeft onlangs een 3D-model ontwikkeld dat nauwkeurig de bloed-hersenbarrière in een laboratoriumomgeving nabootst. Een ontwikkeling die de zoektocht naar een behandelmethode voor Alzheimer en andere degeneratieve hersenaandoeningen vooruit kan helpen.
Chronische neuro-inflammatie, een belangrijke oorzaak van deze aandoeningen, ontstaat door de ingewikkelde interacties tussen hersenbloedvaten en neurale cellen, waarbij de BBB een cruciale regulerende rol speelt. Bestaande BBB-modellen zijn echter niet in staat om de complexe driedimensionale 3D-structuur van hersenbloedvaten na te bootsen, wat aanzienlijke uitdagingen met zich meebrengt voor onderzoek en medicijnontwikkeling.
3D-model bloed-hersenbarrière
Op diverse vlakken wordt gezocht en gewerkt aan een oplossing voor dit ‘probleem. Zo ontwikkelde de Portugese chemisch en biologisch ingenieur Dr. Raquel Rodrigues vorig jaar, samen met collegae, een brein-op-een-chip waarmee de behandeling van Alzheimer mogelijk verbeterd kan worden. Zo kunnen ze het membraan van de bloed-hersenbarrière op de chip met behulp van organisch materiaal nabootsen. Het passeren van die barrière, die de hersenen beschermt tegen gifstoffen en waardoor ook veel medicijnen daar niet doorheen kunnen ‘breken’, is een van de grootste uitdagingen in de ontwikkeling van medicatie voor ziektes als Alzheimer.
Om deze beperkingen aan te pakken, ontwikkelde het onderzoeksteam een cerebrovasculaire specifieke bio-inkt met behulp van een ‘gedecellulariseerde extracellulaire matrix’ (CBVdECM), afkomstig van varkenshersenen en -bloedvaten. Met behulp van 3D bioprinting technologie kon een buisvormig vasculair model gebouwd worden dat de anatomische structuur en functie van de menselijke bloed-hersenbarrière exact nabootst.
Zelf assemblerend
Een belangrijk kenmerk van dit model is de spontane vorming van een dubbellaagse structuur zonder externe stimuli. Met andere woorden, het model assembleert zich helemaal vanzelf. Toen “HBMEC (human brain microvascular endothelial cells)” en “HBVP (human brain vascular pericytes)” werden opgenomen in de CBVdECM bioink en geprint, vormden de endotheelcellen zichzelf in de binnenste vaatwand, terwijl de pericyten een omringende laag vormden. Dit resulteerde in de creatie van een twee-lagige structuur die sterk lijkt op de architectuur van echte bloedvaten.
Ook slaagde het onderzoeksteam erin om het rangschikkings- en organisatieproces van ‘tight junction proteins’ na te bootsen, een component die gewoonlijk ontbreekt in conventionele 2D-modellen. Bovendien werden de doorlaatbaarheid van de bloed-hersenbarrière en ontstekingsreacties waargenomen na blootstelling aan ontstekingsbevorderende stoffen (TNF-α en IL-1β). Met deze benadering konden neuroinflammatoire mechanismen nauwkeurig gemodelleerd worden, wat belangrijke inzichten opleverde in de rol van bloed-hersenbarrière-disfunctie en ontsteking in de pathofysiologie van neurodegeneratieve ziekten.
Koreaans onderzoeksteam
Het 3D-model is ontwikkeld door onderzoeksteams onder leiding van professor Jinah Jang van de faculteiten Werktuigbouwkunde, Levenswetenschappen, IT-Convergence Engineering en de Graduate School of Convergence van POSTECH en professor Sun Ha Paek van de afdeling Neurochirurgie van het Seoul National University Hospital. De bevindingen van het onderzoek zijn gepubliceerd in Biomaterials Research.
“Deze studie biedt een cruciaal platform voor het onderzoeken van de pathologische mechanismen van neuroinflammatie en het ontwikkelen van nieuwe therapeutische strategieën”, aldus Professor Sun Ha Paek van het Seoul National University Hospital. “We streven ernaar om andere celtypen te integreren, zoals gliacellen, neuronen en immuuncellen, om de methoden voor het kwantificeren van ontstekingsreacties en permeabiliteit te verfijnen en uit te breiden naar patiënt specifieke ziektemodellen”, voegde Professor Jinah Jang van POSTECH voegde hieraan toe.
