Модели ГЭБ in vitro: преимущества и недостатки, текущее положение и перспективы развития

Все больше исследователей фокусируют внимание не на эндотелиальных клетках как отдельных единицах гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), но на сложных взаимоотношениях различных типов клеток внутри нейроваскулярной единицы, для чего широко используют различные модели ГЭБ in vitro. Основной точкой приложения таких моделей являются исследования проницаемости ГЭБ для различных молекул, патологических и лекарственных, в рамках изучения заболеваний и создания способов таргетной доставки терапевтических веществ в центральную нервную систему. В данной статье на основании российской и зарубежной научной литературы проведен анализ существующих моделей ГЭБ in vitro, их преимуществ и недостатков; освещены ключевые параметры, согласно которым оценивают релевантность модели ГЭБ in vitro; предложена унифицированная классификация таких моделей. По результатам анализа можно заключить, что наблюдается тенденция к переходу от 2D-моделей на полупроницаемых вставках к 3D-моделям на основе клеточных сфероидов и микрофлюидных чипов. Кроме того, использование индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека вместо первичных клеток, выделенных от животных, позволит с большей достоверностью масштабировать результаты, полученные in vitro, на условия in vivo.

1. Langen U.H., Ayloo S., Gu C. Development and Cell Biology of the Blood-Brain Barrier. Annu Rev Cell Dev Biol. 2019; 35: 591-613. doi:10.1146/annurev-cellbio-100617-062608

2. Mae M.A., He L., Nordling S., Vazquez-Liebanas E., Nahar K., Jung B., Li X., Tan B.C., Chin F. J., Cazenave-Gassiot A., Wenk M.R., Zarb Y., Lavina B., Quaggin S.E., Jeansson M., Gu C., Silver D.L., Vanlandewijck M., Butcher E.C., Keller A., Betsholtz C. Single-Cell Analysis of Blood-Brain Barrier Response to Pericyte Loss. Circ Res. 2021; 128 (4): e46-e62. doi:10.1161/CIRCRESAHA.120.317473

3. Heithoff B.P., George K.K., Phares A.N., Zuidhoek I.A., Munoz-Ballester C., Robel S. Astrocytes are necessary for blood-brain barrier maintenance in the adult mouse brain. Glia. 2021; 69 (2): 436-472. doi:10.1002/glia.23908

4. Kaplan L., Chow B.W., Gu C. Neuronal regulation of the blood-brain barrier and neurovascular coupling. Nat Rev Neurosci. 2020; 21 (8): 416-432. doi:10.1038/s41583-020-0322-2

5. Iadecola C. The Neurovascular Unit Coming of Age: A Journey through Neurovascular Coupling in Health and Disease. Neuron. 2017; 96 (1): 17-42. doi:10.1016/j.neuron.2017.07.030

6. Sweeney M.D., Zhao Z., Montagne A., Nelson A.R., Zlokovic B.V. Blood-Brain Barrier: From Physiology to Disease and Back. Physiol Rev. 2019; 99 (1): 21-78. doi:10.1152/physrev.00050.2017

7. Villabona-Rueda A., Erice C., Pardo C.A., Stins M.F. The Evolving Concept of the Blood Brain Barrier (BBB): From a Single Static Barrier to a Heterogeneous and Dynamic Relay Center. Front Cell Neurosci. 2019: 405. doi:10.3389/fncel.2019.00405

8. Joo F., Karnushina I. A procedure for the isolation of capillaries from rat brain. Cytobios. 1973; 8 (29): 41-48

9. Bowman P.D., Ennis S.R., Rarey K.E., Betz A.L., Goldstein G.W. Brain microvessel endothelial cells in tissue culture: a model for study of blood-brain barrier permeability. Ann Neurol. 1983; 14 (4): 396-402. doi:10.1002/ana.410140403

10. Tao-Cheng J.H., Nagy Z., Brightman M.W. Tight junctions of brain endothelium in vitro are enhanced by astroglia. J Neurosci. 1987; 7 (10): 3293-3299. doi:10.1523/JNEUROSCI.07-10-03293.1987

11. Hatherell K., Couraud P.-O., Romero I.A., Weksler B., Pilkington G.J. Development of a three-dimensional, all-human in vitro model of the blood-brain barrier using mono-, co-, and tri-cultivation Transwell models. J Neurosci Methods. 2011; 199 (2): 223-229. doi:10.1016/j.jneumeth.2011.05.012

12. Liu Y, Gill E., Huang YY.S. Microfluidic on-chip biomimicry for 3D cell culture: a fit-for-purpose investigation from the end user standpoint. Futur Sci OA. 2017; 3 (2): FSO173. doi:10.4155/fsoa-2016-0084

13. van der Helm M.W., Odijk M., Frimat J.-P., van der Meer A.D., Eijkel J.C.T., van den Berg A., Segerink L.I. Direct quantification of transendothelial electrical resistance in organs-on-chips. Biosens Bioelectron. 2016; 85: 924-929. doi:10.1016/j.bios.2016.06.014

14. Srinivasan B., Kolli A.R. Transepithelial/Transendothelial Electrical Resistance (TEER) to Measure the Integrity of Blood-Brain Barrier. Humana Press, New York, NY: Springer New York; c2019. 99-114p. (Barichello T., editor. Blood-Brain Barrier. Neuromethods; vol 142). doi:10.1007/978-1-4939-8946-1_6

15. Hladky S.B., Barrand M.A. Elimination of substances from the brain parenchyma: efflux via perivascular pathways and via the blood-brain barrier. Fluids Barriers CNS. 2018; 15 (1): 30. doi:10.1186/s12987-018-0113-6

16. Bayir E., Sendemir A. Role of Intermediate Filaments in Blood-Brain Barrier in Health and Disease. Cells. 2021; 10 (6): 1400. doi:10.3390/cells10061400

17. Kadry H., Noorani B., Cucullo L. A blood-brain barrier overview on structure, function, impairment, and biomarkers of integrity. Fluids Barriers CNS. 2020; 17 (1): 69. doi:10.1186/s12987-020-00230-3

18. Abdul Razzak R., Florence G.J., Gunn-Moore F.J. Approaches to CNS Drug Delivery with a Focus on Transporter-Mediated Transcytosis. Int J Mol Sci. 2019; 20 (12): 3108. doi:10.3390/ijms20123108

19. Crone C., Olesen S.P. Electrical resistance of brain microvascular endothelium. Brain Res. 1982; 241 (1): 49-55. doi:10.1016/0006-8993(82)91227-6

20. Siddharthan V, Kim Y V, Liu S., Kim K.S. Human astrocytes/astrocyte-conditioned medium and shear stress enhance the barrier properties of human brain microvascular endothelial cells. Brain Res. 2007; 1147: 39-50. doi:10.1016/j.brainres.2007.02.029

21. Hartmann C., Zozulya A., Wegener J., Galla H.-J. The impact of glia-derived extracellular matrices on the barrier function of cerebral endothelial cells: an in vitro study. Exp Cell Res. 2007; 313 (7): 1318-1325. doi:10.1016/j.yexcr.2007.01.024

22. Бойцова Е.Б., Моргун А.В., Осипова Е.Д., Мартынова Г.П., Салмина А.Б. Изменение рецепции и транспорта лактата церебральным эндотелием под воздействием индуктора вирусного и бактериального воспаления in vitro. Фундаментальная и клиническая медицина. 2020; 5 (1): 8-14. doi:10.23946/2500-0764-2020-5-1-8-14

23. Dehouck M.P., Meresse S., Delorme P., Fruchart J.C., Cecchelli R. An easier, reproducible, and mass-production method to study the blood-brain barrier in vitro. J Neurochem. 1990; 54 (5): 1798-1801. doi:10.1111/j.1471-4159.1990.tb01236.x.

24. Cenini G., Hebisch M., Iefremova V., Flitsch L.J., Breitkreuz Y, Tanzi R.E., Kim D.Y., Peitz M., Brustle O. Dissecting Alzheimer’s disease pathogenesis in human 2D and 3D models. Mol Cell Neurosci. 2021; 110: 103568. doi:10.1016/j.mcn.2020.103568

25. Моргун А.В., Кувачева Н.В., Хилажева Е.Д., Тарану-шенко Т.Е., Салмина А.Б. Особенности экспрессии коннек-синов клетками нейроваскулярной единицы в норме и при гипоксии в условиях эксперимента. Бюллетень сибирской медицины. 2014; 13 (6): 5-9. doi:10.20538/1682-0363-2014-6-5-9

26. Modarres H.P., Janmaleki M., Novin M., Saliba J., El-Hajj F., RezayatiCharan M., Seyfoori A., Sadabadi H., Vandal M., Nguyen M.D., Hasan A., Sanati-Nezhad A. In vitro models and systems for evaluating the dynamics of drug delivery to the healthy and diseased brain. J Control Release. 2018; 273: 108130. doi:10.1016/j.jconrel.2018.01.024

27. Моргун, А. В., Осипова, Е. Д., Бойцова, Е. Б., Шу-ваев, А. Н., Комлева, Ю. К., Труфанова, Л. В., Вайс, Е. Ф., Салмина, А. Б. Астроцит-опосредованные механизмы регуляции нейрогенеза в модели нейрогенной ниши in vitro при действии AP1-42. Биомедицинская химия. 2019; 65 (5): 366-373. doi:10.18097/PBMC20196505366

28. Urich E., Lazic S.E., Molnos J., Wells I., Freskgard P.- O. Transcriptional profiling of human brain endothelial cells reveals key properties crucial for predictive in vitro blood-brain barrier models. PLoS One. 2012; 7 (5): e38149. doi:10.1371/journal.pone.0038149

29. Neuwelt E., Abbott N.J., Abrey L., Banks W.A., Blakley B. , Davis T., Engelhardt B., Grammas P., Nedergaard M., Nutt J., Pardridge W., Rosenberg G.A., Smith Q., Drewes L.R. Strategies to advance translational research into brain barriers. Lancet Neurol. 2008; 7 (1): 84-96. doi:10.1016/S1474-4422(07)70326-5

30. Hakkarainen J.J., Jalkanen A.J., Kaariainen T.M., Keski-Rahkonen P., Venalainen T., Hokkanen J., Monkkonen J., Suhonen M., Forsberg M.M. Comparison of in vitro cell models in predicting in vivo brain entry of drugs. Int J Pharm. 2010; 402 (1-2): 27-36. doi:10.1016/j.ijpharm.2010.09.016

31. Ehrmann R.L., Gey G.O. The Growth of Cells on a Transparent Gel of Reconstituted Rat-Tail Collagen2. JNCI J Natl Cancer Inst. 1956; 16 (6): 1375-1403. doi:10.1093/ jnci/16.6.1375

32. Davis G.E., Koh W., Stratman A.N. Mechanisms controlling human endothelial lumen formation and tube assembly in three-dimensional extracellular matrices. Birth Defects Res C Embryo Today. 2007; 81 (4): 270-285. doi:10.1002/bdrc.20107

33. Wang H., Yang H., Shi Y., Xiao Y., Yin Y., Jiang B., Ren H., Chen W., Xue Q., Xu X. Reconstituting neurovascular unit with primary neural stem cells and brain microvascular endothelial cells in three-dimensional matrix. Brain Pathol. 2021; 31 (5): e12940. doi:10.1111/bpa.12940

34. Bhalerao A., Sivandzade F., Archie S.R., Chowdhury E.A., Noorani B., Cucullo L. In vitro modeling of the neurovascular unit : advances in the field. Fluids Barriers CNS. 2020; 1-20. doi:10.1186/s12987-020-00183-7

35. Urich E., Patsch C., Aigner S., Graf M., Iacone R., Freskgard P. O. Multicellular self-assembled spheroidal model of the blood brain barrier. Sci Rep. 2013; 3: 1500. doi:10.1038/srep01500

36. Cho C., Wolfe J.M., Fadzen C.M., Calligaris D., Hornburg K., Chiocca E.A., Agar N.Y.R., Pentelute B.L., Lawler A.E. Blood-brain-barrier spheroids as an in vitro screening platform for brain-penetrating agents. Nat Commun. 2017; 8: 1-14. doi:10.1038/ncomms15623.

37. Nzou G., Wicks R.T., Wicks E.E., Seale S.A., Sane C.H., Chen A., Murphy S.V., Jackson J.D., Atala A.J. Human Cortex Spheroid with a Functional Blood Brain Barrier for High-Throughput Neurotoxicity Screening and Disease Modeling. Sci Rep. 2018; 8 (1): 7413. doi:10.1038/s41598-018-25603-5

38. Sokolova V., Nzou G., Meer S.B. Van Der, Ruks T., Heggen M., Loza K., Hagemann N., Murke F., Giebel B., Hermann D.M., Atala A.J., Epple M. Acta Biomaterialia Ultrasmall gold nanoparticles (2 nm) can penetrate and enter cell nuclei in an in vitro 3D brain spheroid model. Acta Biomater. 2020; 111: 349-362. doi:10.1016/j.actbio.2020.04.023

39. Bergmann S., Lawler S.E., Qu Y, Fadzen C.M., Wolfe J.M., Regan M.S., Pentelute B.L., Agar N.Y.R., Cho C. -F. Blood-brain-barrier organoids for investigating the permeability of CNS therapeutics. Nat Protoc. 2018; 13 (12): 2827-2843. doi:10.1038/s41596-018-0066-x

40. Ando J., Yamamoto K. Vascular mechanobiology: endothelial cell responses to fluid shear stress. Circ J. 2009; 73 (11): 1983-1992. doi:10.1253/circj.cj-09-0583

41. Rochfort K.D., Cummins P.M. In Vitro Cell Models of the Human Blood-Brain Barrier: Demonstrating the Beneficial Influence of Shear Stress on Brain Microvascular Endothelial Cell Phenotype. Humana Press, New York, NY: Springer New York; 2019. 71-98p. doi:10.1007/978-1-4939-8946-1_5

42. Jiang L., Li S., Zheng J., Li Y, Huang H. Recent Progress in Microfluidic Models of the Blood-Brain Barrier. Micromachines. 2019; 10 (6): 375. doi:10.3390/mi10060375

43. FrameM.D.,SareliusLH.Asystemforcultureofendothelial cells in 20-50-microns branching tubes. Microcirculation. 1995; 2 (4): 377-385. doi:10.3109/10739689509148282.

44. Stanness K.A., Guatteo E., Janigro D. A dynamic model of the blood-brain barrier “in vitro”. Neurotoxicology. 1996; 17 (2): 481-496.

45. Huh D., Leslie D.C., Matthews B.D., Fraser J.P., Jurek S., Hamilton G.A., et al. A human disease model of drug toxicity-induced pulmonary edema in a lung-on-a-chip microdevice. Sci Transl Med. 2012; 4 (159): 159ra147. doi:10.1126/scitranslmed.3004249

46. Maoz B.M., Herland A., FitzGerald E.A., Grevesse T., Vidoudez C., Pacheco A.R., Sheehy S.P., Park T.-E., Dauth S., Mannix R., Budnik N., Shores K., Cho A., Nawroth J.C., Segre D., Budnik B., Ingber D.E., Parker K.K. A linked organ-on-chip model of the human neurovascular unit reveals the metabolic coupling of endothelial and neuronal cells. Nat Biotechnol. 2018; 36 (9): 865-874. doi:10.1038/nbt.4226

47. Teixeira M.I., Amaral M.H., Costa P.C., Lopes C.M., Lamprou D.A. Recent Developments in Microfluidic Technologies for Central Nervous System Targeted Studies. Pharmaceutics. 2020; 12 (6): 542. doi:10.3390/pharmaceutics12060542

48. Shityakov S., Forster C.Y. Computational simulation and modeling of the blood-brain barrier pathology. Histochem Cell Biol. 2018; 149 (5): 451-459. doi:10.1007/s00418-018-1665-x

49. Alqahtani S. In silico ADME-Tox modeling: progress and prospects. Expert Opin Drug Metab Toxicol. 2017;13 (11): 1147-1158. doi:10.1080/17425255.2017.1389897

50. Essayan-Perez S., Zhou B., Nabet A.M., Wernig M., Huang Y.A. Modeling Alzheimer's disease with human iPS cells: advancements, lessons, and applications. Neurobiol Dis. 2019; 130: 104503. doi:10.1016/j.nbd.2019.104503