Esta ilustración muestra cómo en la barrera hematoencefálica (BBB), los delgados capilares endoteliales (rojos) están envueltos por pericitos (verdes) y astrocitos (amarillos) de soporte, lo que les permite generar una barrera hermética con funciones de transporte altamente selectivas para las moléculas que entran en el líquido cefalorraquídeo desde el torrente sanguíneo. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard
Al igual que las barreras de seguridad de los aeropuertos, que impiden el paso a los viajeros autorizados o bloquean el acceso de los viajeros no autorizados y su equipaje a las zonas de operaciones centrales, la barrera hematoencefálica (BHE) controla estrictamente el transporte de nutrientes esenciales y metabolitos energéticos al cerebro y evita que sustancias no deseadas circulen por el torrente sanguíneo. Y lo que es más importante, su estructura altamente organizada de finos vasos sanguíneos y células de soporte es también el principal obstáculo que impide que lleguen al cerebro fármacos que pueden salvar vidas para tratar eficazmente el cáncer, la neurodegeneración y otras enfermedades del sistema nervioso central. En una serie de enfermedades cerebrales, la BBB también puede romperse localmente, provocando 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 sobre todo a modelos animales, como los ratones. Sin embargo, la composición exacta y las funciones de transporte de las BBB en esos modelos pueden diferir significativamente de las de los pacientes humanos, lo que las hace poco fiables para la predicción de la administración de fármacos y la eficacia terapéutica. Además, los modelos in vitro que intentan recrear la BHE humana utilizando células primarias derivadas del tejido cerebral no han sido capaces hasta ahora de imitar la barrera física de la BHE, las funciones de transporte y las actividades de transporte de fármacos y anticuerpos lo suficiente como para ser útiles como herramientas de desarrollo terapéutico.
Ahora, un equipo dirigido por el Dr. Donald Ingber, del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard, ha superado estas limitaciones aprovechando su tecnología de microfluidos Organs-on-Chips (Organ Chips) en combinación con un método de imitación de la hipoxia inspirado en el desarrollo para diferenciar células madre pluripotentes humanas (iPS) en células endoteliales microvasculares cerebrales (BMVEC). El "chip BBB mejorado con hipoxia" resultante reproduce 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 un modo que imita mejor el transporte a través de la BBB in vivo que los sistemas in vitro existentes. El estudio se publica en Nature Communications.
"Nuestro planteamiento para modelizar el desplazamiento de fármacos y anticuerpos a través de la barrera hematoencefálica humana in vitro con una fidelidad tan alta y sin precedentes representa un avance significativo respecto a las capacidades existentes en este campo de investigación enormemente difícil", declaró Ingber, Director Fundador del Instituto Wyss. "Aborda 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 de la barrera hematoencefálica' dedicado en el Instituto Wyss utilizando nuestro talento y recursos únicos." Ingber es también catedrático Judah Folkman de Biología Vascular en el HMS y del Programa de Biología Vascular del Hospital Infantil de Boston, así como catedrático de Bioingeniería en SEAS.
La BBB está formada por vasos sanguíneos capilares delgados 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 con procesos similares a los pies. En presencia de pericitos y astrocitos, las células endoteliales pueden generar la barrera hermética de la pared vascular típica de la BBB humana.
El equipo de Ingber diferenció por primera vez células iPS humanas en células endoteliales cerebrales en la placa de cultivo utilizando un método que había desarrollado previamente el coautor Eric Shusta, doctor y catedrático de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad de Wisconsin-Madison, pero con el poder añadido de la bioinspiración. "Dado que en el embrión la BHE se forma en condiciones de poco oxígeno (hipoxia), diferenciamos células iPS durante un tiempo prolongado en una atmósfera con sólo 5% en lugar de la concentración normal de oxígeno de 20%", explicó el coautor Tae-Eun Park, doctor. "Como resultado, las células iPS iniciaron un programa de desarrollo muy similar al del embrión, produciendo BMVEC que mostraron 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 BBB humana, 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 dividido por una membrana porosa y perfundido continuamente con el medio. El otro canal se pobló con una mezcla de pericitos y astrocitos cerebrales humanos primarios. Tras un día más de tratamiento con hipoxia, el chip de BBB humana pudo mantenerse de forma estable durante al menos 14 días a concentraciones normales de oxígeno, lo cual es mucho más tiempo que los modelos de BBB humana in vitro intentados en el pasado.
Bajo el esfuerzo cortante de los fluidos que perfunden el Chip BBB, las BMVEC pasan a formar un vaso sanguíneo y desarrollan una densa interfaz con los pericitos que se alinean con ellas al otro lado de la membrana porosa, así como con los astrocitos que extienden procesos hacia ellas a través de pequeñas aberturas en la membrana.
"La morfología distintiva de la BHE creada es paralela a 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 de fluidos, o con endotelio derivado de cerebro adulto en lugar de células iPS", afirma el doctor Nur Mustafaoglu, coautor 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 reversiblemente la BBB durante un breve periodo de tiempo aumentando la concentración de un soluto de manitol [osmolaridad] para permitir el paso de grandes fármacos como el anticuerpo contra el cáncer Cetuximab."
Para aportar pruebas adicionales de que el chip de la barrera hematoencefálica humana potenciado por la hipoxia puede utilizarse como herramienta eficaz para estudiar la administración de fármacos al cerebro, el equipo investigó una serie de mecanismos de transporte que, o bien impiden que los fármacos lleguen a sus objetivos en el cerebro bombeándolos de vuelta al torrente sanguíneo (eflujo), o bien, por el contrario, permiten el transporte selectivo de nutrientes y fármacos a través de la BBB (transcitosis).
"Cuando bloqueamos específicamente la función de la P-gp, una bomba de eflujo endotelial clave, pudimos aumentar sustancialmente el transporte del fármaco anticanceroso doxorrubicina desde el canal vascular al canal cerebral, de forma muy similar a lo observado en pacientes humanosdijo Park. "Así, nuestro sistema in vitro podría utilizarse para identificar nuevos enfoques para reducir el eflujo y facilitar así el transporte de fármacos al cerebro en el futuro."
Por otro lado, los fabricantes de fármacos intentan aprovechar la "transcitosis mediada por receptores" como vehículo para transportar nanopartículas cargadas de fármacos, fármacos químicos y proteínicos de mayor tamaño y anticuerpos terapéuticos a través de la BBB. "El chip de la BBB humana potenciada por la hipoxia recapitula la función de vías críticas de transcitosis, como las utilizadas por los receptores LRP-1 y de transferrina, responsables de captar lipoproteínas vitales y hierro de la sangre circulante y liberarlos en el cerebro al otro lado de la BBB. Aprovechando esos receptores mediante distintas estrategias preclínicas, podemos imitar fielmente el desplazamiento previamente demostrado de los anticuerpos terapéuticos dirigidos a los receptores de transferrina in vivo, manteniendo al mismo tiempo la integridad de la BBB 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 a través de la Barrera Sanguínea Cerebral tiene por objeto descubrir nuevas dianas de lanzaderas enriquecidas en la superficie vascular de las células BMVEC, utilizando nuevos métodos de transcriptómica, proteómica y células iPS. Paralelamente, estamos desarrollando lanzaderas de anticuerpos totalmente humanos dirigidos contra dianas de lanzaderas conocidas con mayor capacidad para dirigirse al cerebro", declaró el Dr. James Gorman, jefe de personal del Programa de Transporte BBB que trabaja con Ingber. "Nuestro objetivo es colaborar con múltiples socios biofarmacéuticos en una relación precompetitiva para desarrollar lanzaderas que ofrezcan una eficacia y una flexibilidad de ingeniería excepcionales para su incorporación a fármacos de anticuerpos y proteínas, porque los pacientes y todo el sector lo necesitan urgentemente".
Los autores creen que, además de medicamento de desarrollo, el Chip BBB humano potenciado por hipoxia también puede utilizarse para modelar aspectos de la cerebro enfermedades que afectan a la BBB, como el Alzheimer y el Parkinson, y a enfoques avanzados de medicina personalizada mediante el uso de células iPS derivadas de pacientes.
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