Stellen Sie sich das Gehirn als einen Flugsicherungsturm vor, der die entscheidenden und komplexen Abläufe auf dem „Flughafen“ des Körpers überwacht. Dieser Turm, der für die Koordinierung des unaufhörlichen Flusses neurologischer Signale unerlässlich ist, wird von einer beeindruckenden Schicht bewacht, die wie das Sicherheitsteam des Flughafens funktioniert und alles und jeden sorgfältig überprüft, um sicherzustellen, dass keine unerwünschten Eindringlinge die lebenswichtigen Abläufe im Inneren stören.
Diese Sicherheit ist zwar lebenswichtig, bringt aber auch einen erheblichen Nachteil mit sich: Manchmal wird im Kontrollturm ein „Mechaniker“ – in Form von lebenswichtigen Medikamenten zur Behandlung neurologischer Störungen – benötigt, um auftretende Probleme zu beheben. Wenn die Sicherheit jedoch zu streng ist und selbst diesen wichtigen Agenten der Zutritt verweigert wird, könnten genau die Vorgänge gefährdet sein, die sie schützen sollen.
Jetzt durchbrechen Forscher unter der Leitung von Michael Mitchell von der University of Pennsylvania diese seit langem in der Biologie bestehende Grenze, die als Blut-Hirn-Schranke bekannt ist, indem sie eine Methode entwickeln, die darin besteht, diesen Mechanismus mit einer speziellen Schlüsselkarte auszustatten, um die Sicherheit zu umgehen. Ihre Erkenntnisse, veröffentlicht im Tagebuch Nano-Buchstabenstellen ein Modell vor, das Lipid-Nanopartikel (LNPs) zur Bereitstellung von mRNA verwendet und neue Hoffnung für die Behandlung von Erkrankungen wie Alzheimer und Krampfanfällen bietet – ähnlich wie bei der Behebung von Störungen im Kontrollturm, ohne seine Sicherheit zu beeinträchtigen.
„Unser Modell konnte die Blut-Hirn-Schranke besser überwinden als andere und half uns, organspezifische Partikel zu identifizieren, die wir später in zukünftigen Modellen validierten“, sagt Mitchell, außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen an der Penn’s School of Engineering and Applied Science und leitender Autor über das Studium. „Es ist ein spannender Proof of Concept, der zweifellos neue Ansätze zur Behandlung von Erkrankungen wie traumatischer Hirnverletzung, Schlaganfall und Alzheimer liefern wird.“
Suchen Sie nach dem Schlüssel
Um das Modell zu entwickeln, hat Emily Han, eine Ph.D. Kandidat und NSF Graduate Research Fellow im Mitchell Lab und Erstautor der Arbeit, erklärt, dass alles mit der Suche nach der richtigen In-vitro-Screening-Plattform begann und sagt: „Ich habe die Literatur durchforstet, die meisten Plattformen, die ich gefunden habe, waren begrenzt.“ zu einer normalen 96-Well-Platte, einem zweidimensionalen Array, das nicht sowohl den oberen als auch den unteren Teil der Blut-Hirn-Schranke darstellen kann, die jeweils dem Blut und dem Gehirn entsprechen.“
Han untersuchte dann Hochdurchsatz-Transwell-Systeme mit beiden Kompartimenten, stellte jedoch fest, dass sie die mRNA-Transfektion der Zellen nicht berücksichtigten, was eine Lücke im Entwicklungsprozess aufdeckte. Dies veranlasste sie dazu, eine Plattform zu entwickeln, mit der der mRNA-Transport vom Blutkompartiment zum Gehirn sowie die Transfektion verschiedener Gehirnzelltypen, einschließlich Endothelzellen und Neuronen, gemessen werden kann.
„Ich habe Monate damit verbracht, die optimalen Bedingungen für dieses neue In-vitro-System herauszufinden, einschließlich der zu verwendenden Zellwachstumsbedingungen und Fluoreszenzreporter“, erklärt Han. „Sobald wir robust waren, haben wir unsere LNP-Bibliothek gescreent und sie an Tiermodellen getestet. Zu sehen, wie die Gehirne aufgrund der von uns gelieferten mRNA Proteine exprimierten, war aufregend und bestätigte, dass wir auf dem richtigen Weg waren.“
Die Plattform des Teams ist bereit, die Behandlung neurologischer Erkrankungen erheblich voranzutreiben. Derzeit ist es darauf zugeschnitten, eine Reihe von LNPs mit auf das Gehirn gerichteten Peptiden, Antikörpern und verschiedenen Lipidzusammensetzungen zu testen. Es könnte jedoch auch andere therapeutische Wirkstoffe wie siRNA, DNA, Proteine oder niedermolekulare Medikamente nach intravenöser Verabreichung direkt ins Gehirn transportieren.
Darüber hinaus ist dieser Ansatz nicht auf die Blut-Hirn-Schranke beschränkt, da er vielversprechend für die Erforschung von Behandlungen für schwangerschaftsbedingte Krankheiten ist, indem er auf die Blut-Plazenta-Schranke abzielt, und für Netzhauterkrankungen, die sich auf die Blut-Netzhaut-Schranke konzentrieren.
Das Team möchte diese Plattform gerne nutzen, um neue Designs zu testen und ihre Wirksamkeit in verschiedenen Tiermodellen zu testen. Sie sind besonders daran interessiert, mit Mitarbeitern an fortgeschrittenen Tiermodellen neurologischer Störungen zusammenzuarbeiten.
„Wir arbeiten mit Forschern von Penn zusammen, um Modelle für Hirnerkrankungen zu entwickeln“, sagt Han. „Wir untersuchen, wie sich diese LNPs auf Mäuse mit verschiedenen Gehirnerkrankungen auswirken, die von Glioblastomen bis hin zu traumatischen Hirnverletzungen reichen. Wir hoffen, Fortschritte bei der Reparatur der Blut-Hirn-Schranke zu erzielen oder auf Neuronen abzuzielen, die nach der Verletzung geschädigt wurden.“
Weitere Autoren sind Marshall Padilla, Rohan Palanki, Dongyoon Kim, Kaitlin Mrksich, Jacqueline Li, Sophia Tang und Il-Chul Yoon von Penn Engineering.
Mehr Informationen:
Emily L. Han et al., Prädiktive Hochdurchsatzplattform für das duale Screening der Transfektion und Überquerung der Blut-Hirn-Schranke von mRNA-Lipid-Nanopartikeln, Nano-Buchstaben (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03509