Una migliore comprensione del funzionamento della barriera emato-encefalica
Lo studio della barriera tra sangue e sistema nervoso sulla base di modelli non è stato finora possibile o complicato. I ricercatori dell'ETH hanno ora sviluppato un modello più realistico che può essere utilizzato anche per una migliore ricerca di nuove terapie per i tumori cerebrali.
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Mario Modena, postdoc presso il Laboratorio di bioingegneria dell'ETH di Zurigo, spiegherebbe a un bambino di undici anni la sua ricerca sulla barriera emato-encefalica, che protegge il nostro sistema nervoso centrale dalle sostanze nocive presenti nel flusso sanguigno: "Questa parete è importante perché impedisce ai cattivi di arrivare al cervello". Se il cervello è ferito o malato, la parete può riempirsi di buchi. A volte questi buchi sono addirittura vantaggiosi perché, ad esempio, è necessario portare le medicine nel cervello. "Vogliamo quindi capire come mantenere questo muro, sfondarlo e ripararlo di nuovo".
Questo è importante anche dal punto di vista medico, poiché molte malattie del sistema nervoso centrale sono associate a una violazione della barriera emato-encefalica. Gli scienziati spesso usano animali vivi per studiare esattamente il suo funzionamento. Questo è relativamente costoso e le cellule animali forniscono solo informazioni limitate sul funzionamento del corpo umano. Ci sono anche critici che mettono in principio in discussione gli esperimenti sugli animali. Un'alternativa è la ricerca su cellule umane coltivate in laboratorio.
La comunicazione cellulare ha ricevuto finora poca attenzione
Il problema di questi modelli in vitro è che la barriera emato-encefalica è di solito modellata in modo relativamente semplice utilizzando le cellule della parete dei vasi sanguigni (cellule endoteliali), il che non corrisponde alla complessa struttura del corpo umano e non tiene conto, ad esempio, della comunicazione tra diversi tipi di cellule. Inoltre, molti modelli sono statici: le cellule nuotano, per così dire, in una soluzione che non si muove, il che significa che né il fattore dello sforzo di taglio, sotto il quale le cellule si trovano nel corpo, né il fattore del flusso del fluido sono inclusi nelle osservazioni.
Nei modelli dinamici in vitro, invece, che imitano le condizioni di flusso nel corpo, si utilizzano solitamente delle pompe, che complicano l'impostazione sperimentale. Oltre a tutte queste sfide, c'è anche il problema della misurazione: è difficilmente possibile fornire immagini ad alta risoluzione del cambiamento strutturale della barriera in tempo reale e allo stesso tempo fornire dati sulla resistenza elettrica e sulla relativa compattezza e tenuta della barriera emato-encefalica.
Prendere più piccioni con una fava
Se tutte queste sfide fossero mosche, la piattaforma di Mario Modena le ucciderebbe con una fava. Lui e i suoi colleghi hanno impiegato tre anni e mezzo per sviluppare un modello di barriera emato-encefalica in 3D ad apertura, sotto la direzione di Andreas Hierlemann.
Per la barriera, il team di ricerca ha combinato su un'unica piattaforma i tipi di cellule che formano naturalmente la barriera emato-encefalica: cellule endoteliali microvascolari, astrociti umani e periciti umani. "Stiamo quasi replicando la struttura cellulare 3D del corpo umano", spiega Modena. Ma ciò che è davvero unico è che possiamo misurare la permeabilità della barriera e allo stesso tempo mappare i cambiamenti morfologici della barriera utilizzando la microscopia time-lapse ad alta risoluzione"."Per rendere possibili entrambe le cose, i ricercatori hanno attaccato elettrodi completamente trasparenti a vetri di copertura su entrambi i lati della barriera per misurare la permeabilità, che comporta la misurazione della resistenza elettrica attraverso la barriera cellulare. Gli elettrodi trasparenti presentano un vantaggio decisivo rispetto ad altri tipi di elettrodi, che possono influenzare i risultati del test a causa della loro struttura a filo.
"Non aumentare la complessità"
Per imitare il flusso del fluido nel corpo, i ricercatori hanno posizionato la piattaforma con il fluido nei serbatoi su una specie di altalena. La gravità genera il flusso, che a sua volta genera le forze di taglio sulle cellule. Andreas Hierlemann spiega il vantaggio di questa configurazione: "Poiché non utilizziamo pompe, possiamo testare molti modelli in parallelo, ad esempio nell'incubatore, senza aumentare la complessità".
In uno studio appena pubblicato sulla rivista "Advanced Science", i ricercatori hanno presentato e testato il loro nuovo modello di barriera emato-encefalica in vitro. Per farlo, hanno esposto la barriera a una carenza di ossigeno e zuccheri, come quella che si verifica durante un ictus. "Questo ci ha permesso di innescare rapidamente i cambiamenti nella barriera e di dimostrare il potenziale della piattaforma", spiega Modena.
Aziende farmaceutiche già interessate
In questo studio, Modena e i suoi colleghi non solo sono riusciti a dimostrare che la loro nuova piattaforma è adatta alla misurazione. Hanno anche scoperto che la resistenza elettrica della barriera crolla anche prima che questa cambi morfologicamente e diventi più permeabile. "Questo potrebbe essere interessante per le ricerche future", dice Modena. Un'altra osservazione: negli esperimenti di controllo con un modello statico in vitro, la barriera era più permeabile che nel nuovo set-up sperimentale di Modena. "Le forze di taglio generate dal flusso guidato dalla gravità promuovono ovviamente la formazione di uno strato di barriera più denso, il che conferma l'importanza della forza di taglio nei modelli in vitro".
Modena e Hierlemann ritengono che il loro modello faciliterà la scoperta di molecole che stabilizzano la barriera, ma anche di preparati e metodi per superarla. Ciò potrebbe avere un ruolo nel trattamento dei tumori cerebrali. Tuttavia, il loro modello potrebbe anche influenzare il futuro di altre ricerche in vitro, afferma Hierlemann: "Il vantaggio della nostra piattaforma è che può essere adattata molto facilmente ad altri modelli di cellule endoteliali, dove la combinazione di misurazione della densità e microscopia ad alta risoluzione consente nuove ricerche". ? già chiaro che l'industria ritiene che il modello abbia un futuro promettente. Un'azienda farmaceutica è già in contatto con i ricercatori.
Letteratura di riferimento
Wei W, Cardes F, Hierlemann A, Modena MM: Modello 3D in vitro della barriera emato-encefalica per studiare gli insulti della barriera. Advanced Science, 13 febbraio 2023, doi: pagina esterna10.1002/advs.202205752