Esta ilustración muestra cómo, en la barrera hematoencefálica (BBB), los finos capilares endoteliales (rojos) están rodeados por pericitos (verdes) y astrocitos (amarillos), lo que les permite generar una barrera hermética con funciones de transporte altamente selectivas para las moléculas que entran en el líquido cerebral desde el torrente sanguíneo. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard.
Al igual que las barreras de seguridad de los aeropuertos, que permiten el paso a los viajeros autorizados o impiden el acceso a las zonas centrales de operaciones a los viajeros no autorizados y su equipaje, la barrera hematoencefálica (BHE) controla estrictamente el transporte de nutrientes esenciales y metabolitos energéticos al cerebro y evita que circulen sustancias no deseadas en el torrente sanguíneo. Es importante destacar que su estructura altamente organizada de vasos sanguíneos delgados y células de soporte es también el principal obstáculo que impide que los medicamentos que salvan vidas lleguen al cerebro para tratar eficazmente el cáncer, la neurodegeneración y otras enfermedades del sistema nervioso central. En varias enfermedades cerebrales, la BHE también puede romperse localmente, lo que provoca que sustancias neurotóxicas, células sanguíneas y patógenos se filtren en el cerebro y causen estragos irreparables.
Para estudiar la BHE y el transporte de fármacos a través de ella, los investigadores han recurrido principalmente a modelos animales, como ratones. Sin embargo, la composición precisa y las funciones de transporte de las BHE en esos modelos pueden diferir significativamente de las de los pacientes humanos, lo que los hace poco fiables para predecir la administración de fármacos y la eficacia terapéutica. Además, los modelos in vitro que intentan recrear la BHE humana utilizando células derivadas de tejido cerebral primario no han sido capaces hasta ahora de imitar la barrera física de la BHE, sus funciones de transporte y sus actividades de transporte de fármacos y anticuerpos con la precisión suficiente como para ser útiles como herramientas de desarrollo terapéutico.
Ahora, un equipo dirigido por Donald Ingber, doctor en Medicina y doctor en Filosofía del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard, ha superado estas limitaciones aprovechando su tecnología microfluídica Organs-on-Chips (Organ Chips) en combinación con un enfoque inspirado en el desarrollo que imita la hipoxia para diferenciar las células madre pluripotentes humanas (iPS) en células endoteliales microvasculares cerebrales (BMVEC). El ‘chip BBB mejorado por hipoxia’ resultante recapitula la organización celular, las funciones de barrera hermética y las capacidades de transporte de la BBB humana, y permite el transporte de fármacos y anticuerpos terapéuticos de una manera que imita más fielmente el transporte a través de la BBB in vivo que los sistemas in vitro existentes. Su estudio se ha publicado en Nature Communications.
“Nuestro enfoque para modelar el transporte de fármacos y anticuerpos a través de la barrera hematoencefálica humana in vitro con una fidelidad tan alta y sin precedentes supone un avance significativo con respecto a las capacidades existentes en esta área de investigación tan enormemente desafiante”, afirmó Ingber, director fundador del Instituto Wyss. “Responde a una necesidad crítica en los programas de desarrollo de fármacos en todo el mundo farmacéutico y biotecnológico que ahora pretendemos ayudar a superar con un ‘Programa de transporte a través de la barrera hematoencefálica’ específico en el Instituto Wyss, utilizando nuestro talento y recursos únicos”. Ingber es también profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la HMS y en el Programa de Biología Vascular del Boston Children's Hospital, así como profesor de Bioingeniería en la SEAS.
La BHE está formada por finos vasos sanguíneos capilares formados por BMVEC, células multifuncionales conocidas como pericitos que se envuelven alrededor del exterior de los vasos, y astrocitos en forma de estrella, que son células cerebrales no neuronales que también entran en contacto con los vasos sanguíneos mediante procesos similares a pies. En presencia de pericitos y astrocitos, las células endoteliales pueden generar la barrera de la pared vascular herméticamente sellada típica de la BHE humana.
El equipo de Ingber diferenció primero las células iPS humanas en células endoteliales cerebrales en la placa de cultivo utilizando un método desarrollado previamente por el coautor Eric Shusta, doctor y profesor de Ingeniería Química y Biológica en la Universidad de Wisconsin-Madison, pero con el poder añadido de la bioinspiración. “Dado que en el embrión la barrera hematoencefálica se forma en condiciones de bajo nivel de oxígeno (hipoxia), diferenciamos las células iPS durante un tiempo prolongado en una atmósfera con solo 5% en lugar de la concentración normal de oxígeno de 20%”, explicó el coautor principal, el Dr. Tae-Eun Park. “Como resultado, las células iPS iniciaron un programa de desarrollo muy similar al del embrión, produciendo BMVEC que mostraban una mayor funcionalidad que las BMVEC generadas en condiciones normales de oxígeno”. Park fue becario posdoctoral en el equipo de Ingber y ahora es profesor adjunto en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan, en la República de Corea.
Basándose en un modelo anterior de BHE humano, los investigadores transfirieron a continuación las BMVEC humanas inducidas por hipoxia a uno de los dos canales paralelos de un dispositivo microfluídico Organ-on-Chip, divididos por una membrana porosa y perfundidos continuamente con el medio. El otro canal se pobló con una mezcla de pericitos y astrocitos primarios del cerebro humano. Tras un día adicional de tratamiento con hipoxia, el chip de BHE humano pudo mantenerse estable durante al menos 14 días a concentraciones normales de oxígeno, lo que supone un periodo mucho más largo que el de los modelos de BHE humano in vitro probados en el pasado.
Bajo la tensión de cizallamiento de los fluidos que perfunden el chip BBB, las BMVEC continúan formando un vaso sanguíneo y desarrollan una interfaz densa con los pericitos que se alinean con ellas al otro lado de la membrana porosa, así como con los astrocitos que extienden sus procesos hacia ellas a través de pequeñas aberturas en la membrana.
“La morfología distintiva de la BHE modificada se corresponde con la formación de una barrera más hermética que contiene un mayor número de sistemas de transporte selectivo y de transporte de fármacos en comparación con las BHE de control que generamos sin hipoxia ni tensión de cizallamiento del fluido, o con endotelio derivado del cerebro adulto en lugar de células iPS”, afirmó Nur Mustafaoglu, doctor, coautor principal del estudio y becario posdoctoral que trabaja en el equipo de Ingber. “Además, pudimos emular los efectos de las estrategias de tratamiento en pacientes en la clínica. Por ejemplo, abrimos de forma reversible la BHE durante un breve periodo de tiempo aumentando la concentración de un soluto de manitol [osmolaridad] para permitir el paso de fármacos de gran tamaño, como el anticuerpo anticancerígeno Cetuximab”.”
Para aportar pruebas adicionales de que el chip de barrera hematoencefálica humana mejorado por hipoxia puede utilizarse como una herramienta eficaz para estudiar la administración de fármacos al cerebro, el equipo investigó una serie de mecanismos de transporte que impiden que los fármacos alcancen sus objetivos en el cerebro al bombearlos de vuelta al torrente sanguíneo (eflujo) o que, por el contrario, permiten el transporte selectivo de nutrientes y fármacos a través de la BHE (transcitosis).
“Cuando bloqueamos específicamente la función de la P-gp, una bomba de eflujo endotelial clave, pudimos aumentar sustancialmente el transporte del fármaco anticancerígeno doxorrubicina desde el canal vascular al canal cerebral, de forma muy similar a lo que se ha observado en pacientes humanos,”, afirmó Park. “Por lo tanto, nuestro sistema in vitro podría utilizarse para identificar nuevos enfoques que reduzcan el flujo de salida y faciliten así el transporte de fármacos al cerebro en el futuro”.”
En otro ámbito, los desarrolladores de fármacos están tratando de aprovechar la ‘transcitosis mediada por receptores’ como vehículo para transportar nanopartículas cargadas de fármacos, fármacos químicos y proteicos de mayor tamaño, así como anticuerpos terapéuticos a través de la BHE. “El chip BBB humano mejorado por hipoxia recapitula la función de las vías críticas de transcitosis, como las que utilizan los receptores LRP-1 y transferrina, responsables de absorber lipoproteínas y hierro vitales de la sangre circulante y liberarlos en el cerebro al otro lado de la BBB. Al aprovechar esos receptores mediante diferentes estrategias preclínicas, podemos imitar fielmente el transporte previamente demostrado de anticuerpos terapéuticos que se dirigen a los receptores de transferrina in vivo, al tiempo que se mantiene la integridad de la BHE in vitro”, afirmó Mustafaoglu.
Basándose en estos hallazgos, el Instituto Wyss ha puesto en marcha un ‘Programa de transporte de la barrera hematoencefálica’. “Inicialmente, el Programa de Transporte de la BHE tiene como objetivo descubrir nuevos objetivos de transporte que se concentran en la superficie vascular de las BMVEC, utilizando nuevos enfoques de transcriptómica, proteómica y células iPS. Paralelamente, estamos desarrollando transportadores de anticuerpos totalmente humanos dirigidos contra objetivos de transporte conocidos con capacidades mejoradas de orientación al cerebro”, afirmó James Gorman, doctor en Medicina y doctor en Filosofía, director del Programa de Transporte de la BHE que trabaja con Ingber. “Nuestro objetivo es colaborar con múltiples socios biofarmacéuticos en una relación precompetitiva para desarrollar transportadores que ofrezcan una eficacia y una flexibilidad de ingeniería excepcionales para su incorporación a fármacos de anticuerpos y proteínas, ya que esto es muy necesario para los pacientes y para todo el campo”.
Los autores consideran que, además de droga estudios sobre el desarrollo, el chip BBB humano mejorado por hipoxia también se puede utilizar para modelar aspectos de cerebro enfermedades que afectan a la barrera hematoencefálica, como el Alzheimer y el Parkinson, y a enfoques avanzados de medicina personalizada mediante el uso de células iPS derivadas de pacientes.