新研究!利用iPSC構建人血腦屏障模型用於藥物腦通透性的概念驗證

2021-01-10 Magicstemcell

中樞神經系統（CNS）是由腦和脊髓組成，是人體神經系統最主體部分，它與血液之間存在一種稱為血-腦屏障的組織。

血-腦屏障（BBB）是由軟腦膜、脈絡叢、腦血管和星狀膠質組織所組成，腦內皮細胞是它的主要結構。它能防止有害物質由血液進入腦內損害神經細胞，同時又能保證輸送腦代謝所需物質的進入和代謝產物的排出，維持腦內環境基本穩定，通俗點說就是腦部組織和血液之間的一扇門。

雖然BBB的存在對大腦是一種保護，但在開發CNS相關藥物時卻成了不太友好的因素。因為CNS類藥物的療效必須要通過BBB的「檢查」順利到達腦部才能得以發揮。

如果在開發CNS類藥物的早期就能了解到其進入腦部後的反應，這將大大提升新藥研發的速度和降低成本。可惜的是，到目前為止這類藥物的相關實驗都是在動物模型中進行的，由於動物和人體存在不小的差異，導致相關藥物在研發早期不能高通量、快速的篩選出有價值的部分，從而使得其開發成本極其昂貴、難度大大增加。

最近，Gwenalle等人利用iPSC技術成功在體外構建了BBB（iPSC-BBB）模型，並模擬了相關化合物腦滲透實驗。該項實驗結果發表在11月5日的《Nature》雜誌上。

此前，該研究組曾在體外構建過BBB模型，但獲取人腦組織存在不小的困難，於是本次實驗中他們決定採用人誘導多能幹細胞（iPSC）作為構建BBB模型的原材料，並對之前的建模方法進行了優化。

模型構建

本次實驗裡，Gwenalle等人在iPSC培養的過程中加入嘌呤黴素後出現人腦內皮細胞（hbmec）形態的細胞，然後將其放入內皮培養基中，2天後成功由iPSC分化的人腦內皮細胞（iPSC-hbmec）成功誕生。它們表現出與原代hbmec相似的形態和相同的轉運蛋白表達水平，如：細胞單層緊密排列、表達ZO-1和claudin-5等。iPSC-BBB模型便是以iPSC-hbmec為原材料構建完成的。

驗證模型的功能

Gwenalle等人通過對iPSC-BBB模型細胞旁路標誌物的研究（蔗糖穿過BBB的滲透性）證實了該模型裡單層細胞處於緊密連接狀態。隨後，他們又用P-gp 底物評估iPSC-BBB模型的不對稱指數， 在使用和不使用 P-gp 抑制劑環孢黴素 A 的情況下，雙向測試了長春鹼的表觀滲透性，實驗數據表明該模型存在功能性P-gp排外。這些實驗結果證明了他們在體外成功構建人血-腦屏障的模型。

測試模型效果

Gwenalle等人用iPSC-BBB模型測試此前已經確認可以順利通過BBB的化合物和已上市靶向CNS的藥物，如：表1。實驗數據顯示，該模型測試的結果與此前的研究結果基本一致，說明他們此次建立的iPSC-BBB模型已經具備與人血-腦相同的功能和特點，已經可以初步觀察到該模型在藥物篩選方面的作用。此外，他們還得出結論：藥物理化性質與體外表觀滲透率之間沒有關係。

發現種屬差異

這次實驗中，Gwenalle等人還通過分析某些化合物在iPSC-BBB和體外大鼠原代BBB模型裡表現出不同的滲透性，發現了兩者之間的種屬差異。例如：洛哌丁胺在 iPSC-hBBB 中能夠與 ABC 轉運蛋白相互作用，但在體外大鼠原代BBB模型中卻未發生相互作用等。他們的發現，證實了動物和人體之間確實存在不小的差異，而由動物模型篩選出的藥物向人體轉化的過程中存在不小的障礙。

結語：

Gwenalle等人在實驗中構建的iPSC-BBB模型不僅模擬了完整的人體內血-腦屏障，還測試了多種化合物及相關上市藥物，為以後開發CNS類藥物提供了依據，這既是CNS領域的進展，也是iPSC在藥物篩選方面的突破，尤其是對於某些缺乏實用、有效的藥篩模型的疾病領域而言，iPSC將成為一個非常有價值的研究方向。最近幾年，iPSC技術表現出蓬勃的競爭力和市場需求規模的逐漸擴大，相信未來不久，iPSC的巨大價值會進一步被開發。

參考文獻：

【1】Gwenalle Le Roux. Proof-of-Concept Study of Drug Brain Permeability Betweenin VivoHuman Brain and anin VitroiPSCs-Human Blood-Brain Barrier Model. 05 November 2019.

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