สมองมนุษย์ขนาดเล็กชิ้นแรกที่มีกลไกกั้นเลือด-สมองที่ใช้งานได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว

การวิจัยใหม่โดยทีมผู้เชี่ยวชาญจาก Cincinnati Children's นำไปสู่การสร้างสมองขนาดจิ๋วตัวแรกของโลกที่มีเกราะกั้นเลือดสมอง (BBB) ที่ทำงานได้เต็มรูปแบบ

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญนี้ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Cell Stem Cellมีแนวโน้มที่จะเร่งความเข้าใจและปรับปรุงการรักษาโรคทางสมองหลายชนิด รวมถึงโรคหลอดเลือดสมอง โรคหลอดเลือดสมอง มะเร็งสมองโรคอัลไซเมอร์ โรค ฮันติงตันโรคพาร์กินสันและภาวะเสื่อมของระบบประสาทอื่นๆ

“การขาดแบบจำลอง BBB ของมนุษย์ที่แท้จริงเป็นอุปสรรคสำคัญในการศึกษาโรคทางระบบประสาท” ดร. Ziyuan Guo ผู้เขียนหลักของการศึกษากล่าว

"ความก้าวหน้าของเราเกี่ยวข้องกับการสร้างออร์แกนอยด์ BBB ของมนุษย์จากเซลล์ต้นกำเนิดพหุศักยภาพของมนุษย์ ซึ่งเลียนแบบการพัฒนาระบบประสาทและหลอดเลือดของมนุษย์ เพื่อสร้างภาพสะท้อนที่แม่นยำของอุปสรรคในการเจริญเติบโตและการทำงานของเนื้อเยื่อสมอง นับเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญ เนื่องจากแบบจำลองสัตว์ที่เราใช้ในปัจจุบันไม่ได้สะท้อนถึงการพัฒนาสมองของมนุษย์และการทำงานของ BBB ได้อย่างแม่นยำ"

เลือดสมองกั้นคืออะไร?

ไม่เหมือนกับส่วนอื่นๆ ของร่างกายเรา หลอดเลือดในสมองมีชั้นเซลล์ที่เรียงกันอย่างแน่นหนาเป็นพิเศษ ซึ่งจำกัดขนาดของโมเลกุลที่สามารถผ่านจากกระแสเลือดไปยังระบบประสาทส่วนกลาง (CNS) ได้อย่างมาก

เกราะป้องกันที่ทำงานได้อย่างเหมาะสมช่วยให้สมองมีสุขภาพดีโดยป้องกันไม่ให้สารอันตรายเข้ามาได้ในขณะที่ยังช่วยให้สารอาหารที่สำคัญเข้าถึงสมองได้ อย่างไรก็ตาม เกราะป้องกันเดียวกันนี้ยังป้องกันไม่ให้ยาที่มีประโยชน์หลายชนิดเข้าสู่สมองอีกด้วย นอกจากนี้ ความผิดปกติทางระบบประสาทหลายอย่างเกิดขึ้นหรือแย่ลงเมื่อ BBB ไม่ก่อตัวอย่างถูกต้องหรือเริ่มสลายตัว

ความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างสมองของมนุษย์และสัตว์ส่งผลให้ยาใหม่ๆ จำนวนมากที่มีแนวโน้มดีที่พัฒนาโดยใช้แบบจำลองสัตว์ แต่ภายหลังกลับไม่สามารถตอบสนองความคาดหวังได้เมื่อทำการทดสอบในมนุษย์

“ปัจจุบัน เราได้พัฒนาแพลตฟอร์มที่ใช้เซลล์ต้นกำเนิดของมนุษย์อย่างสร้างสรรค์โดยใช้วิศวกรรมชีวภาพทางชีววิทยา ซึ่งช่วยให้เราสามารถศึกษาเกี่ยวกับกลไกที่ซับซ้อนซึ่งควบคุมการทำงานและความผิดปกติของ BBB ได้ ซึ่งนับเป็นโอกาสอันดีที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับการค้นพบยาและการแทรกแซงทางการรักษา” Guo กล่าว

การเอาชนะปัญหาที่มีมายาวนาน

ทีมวิจัยทั่วโลกกำลังเร่งพัฒนาออร์แกนอยด์ของสมอง ซึ่งเป็นโครงสร้างสามมิติขนาดเล็กที่เติบโตได้และเลียนแบบขั้นตอนแรกของการสร้างสมอง ซึ่งแตกต่างจากเซลล์ที่เติบโตในจานทดลองแบบแบน เซลล์ออร์แกนอยด์เชื่อมต่อถึงกัน พวกมันจัดระเบียบตัวเองเป็นรูปทรงกลมและ "พูดคุย" กัน เช่นเดียวกับเซลล์ของมนุษย์ในระหว่างการพัฒนาของตัวอ่อน

โรงพยาบาลเด็กซินซินแนติเป็นผู้นำในการพัฒนาออร์แกนอยด์ประเภทอื่นๆ รวมถึงออร์แกนอยด์สำหรับลำไส้ กระเพาะอาหาร และหลอดอาหารแบบใช้งานได้ตัวแรกของโลก แต่จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีศูนย์วิจัยใดประสบความสำเร็จในการสร้างออร์แกนอยด์สำหรับสมองที่มีชั้นกั้นพิเศษที่พบในหลอดเลือดของสมองมนุษย์

เราเรียกพวกมันว่าโมเดลใหม่ "BBB assembloids"

ทีมวิจัยเรียกโมเดลใหม่นี้ว่า "BBB assembloids" ชื่อของโมเดลนี้สะท้อนถึงความสำเร็จที่ทำให้ความก้าวหน้าครั้งนี้เกิดขึ้นได้ โดย assembloids เหล่านี้ประกอบด้วย organoids สองประเภทที่แตกต่างกัน ได้แก่ organoids ของสมอง ซึ่งจำลองเนื้อเยื่อสมองของมนุษย์ และ organoids ของหลอดเลือด ซึ่งเลียนแบบโครงสร้างของหลอดเลือด

กระบวนการรวมตัวเริ่มต้นจากออร์แกนอยด์ของสมองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3-4 มิลลิเมตรและออร์แกนอยด์ของหลอดเลือดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 มิลลิเมตร ในช่วงเวลาประมาณหนึ่งเดือน โครงสร้างที่แยกจากกันเหล่านี้จะรวมเข้าด้วยกันเป็นทรงกลมเดียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 4 มิลลิเมตร (ประมาณ 1/8 นิ้ว หรือประมาณขนาดเมล็ดงา)

คำอธิบายภาพ: กระบวนการหลอมรวมออร์แกนอยด์สองประเภทเพื่อสร้างออร์แกนอยด์ของสมองมนุษย์ที่มีส่วนกั้นเลือด-สมอง เครดิต: Cincinnati Children's and Cell Stem Cell

ออร์แกนอยด์ที่ผสานรวมเหล่านี้สร้างปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือดที่ซับซ้อนมากมายที่พบเห็นในสมองมนุษย์ แต่ไม่ใช่แบบจำลองที่สมบูรณ์ของสมอง ตัวอย่างเช่น เนื้อเยื่อไม่มีเซลล์ภูมิคุ้มกันและไม่มีการเชื่อมต่อกับระบบประสาทส่วนอื่นของร่างกาย

ทีมวิจัยของเด็กซินซินแนติได้พัฒนาก้าวหน้าในด้านการรวมและจัดเรียงออร์แกนอยด์จากเซลล์ประเภทต่างๆ เพื่อสร้าง "ออร์แกนอยด์รุ่นถัดไป" ที่ซับซ้อนมากขึ้น ความก้าวหน้าเหล่านี้ช่วยให้เกิดงานวิจัยใหม่ๆ เกี่ยวกับการสร้างออร์แกนอยด์ของสมอง

ที่สำคัญ การประกอบ BBB สามารถเจริญเติบโตได้โดยใช้เซลล์ต้นกำเนิดของมนุษย์ทั่วไปหรือเซลล์ต้นกำเนิดจากผู้ป่วยโรคทางสมองบางชนิด จึงสะท้อนถึงรูปแบบยีนและสภาวะอื่นๆ ที่อาจนำไปสู่การทำงานของอุปสรรคเลือด-สมองที่บกพร่อง

การพิสูจน์แนวคิดเบื้องต้น

เพื่อแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ใช้สอยที่เป็นไปได้ของแอสเซมบลอยด์ชนิดใหม่ ทีมวิจัยได้ใช้เซลล์ต้นกำเนิดจากผู้ป่วยเพื่อสร้างแอสเซมบลอยด์ที่สามารถจำลองลักษณะสำคัญของภาวะสมองผิดปกติที่หายากที่เรียกว่า สมองผิดปกติมีโพรงสมองได้อย่างแม่นยำ

โรคทางพันธุกรรมนี้มีลักษณะเฉพาะคือมีความผิดปกติของความสมบูรณ์ของเกราะป้องกันเลือด-สมอง ส่งผลให้หลอดเลือดผิดปกติในสมองเป็นกลุ่มก้อน โดยมักมีลักษณะคล้ายราสเบอร์รี่ โรคนี้เพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดโรคหลอดเลือดสมองอย่างมาก

“แบบจำลองของเราสามารถสรุปลักษณะแสดงออกของโรคได้อย่างแม่นยำ ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เกี่ยวกับพยาธิวิทยาในระดับโมเลกุลและเซลล์ของโรคหลอดเลือดสมอง” Guo กล่าว

การประยุกต์ใช้งานที่มีศักยภาพ

ผู้เขียนร่วมมองเห็นการประยุกต์ใช้งานที่เป็นไปได้มากมายสำหรับการประกอบ BBB:

• การคัดกรองยาเฉพาะบุคคล: ส่วนประกอบ BBB ที่ได้จากผู้ป่วยสามารถใช้เป็นอวตารในการปรับแต่งการบำบัดให้เหมาะกับผู้ป่วยโดยอิงจากโปรไฟล์ทางพันธุกรรมและโมเลกุลเฉพาะตัวของพวกเขา
• การสร้างแบบจำลองของโรค: สำหรับโรคทางระบบประสาทและหลอดเลือดหลายชนิด รวมถึงโรคที่หายากและซับซ้อนทางพันธุกรรม ระบบแบบจำลองที่ดีสำหรับการวิจัยยังขาดอยู่ ความสำเร็จในการสร้างชุดประกอบ BBB อาจเร่งการพัฒนาแบบจำลองเนื้อเยื่อสมองของมนุษย์สำหรับโรคต่างๆ ที่หลากหลายยิ่งขึ้น
• การค้นพบยาปริมาณสูง: การขยายการผลิตแอสเซมบลอยด์จะช่วยให้วิเคราะห์ได้แม่นยำยิ่งขึ้นและรวดเร็วยิ่งขึ้นว่ายาที่มีศักยภาพในสมองสามารถผ่าน BBB ได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่
• การทดสอบสารพิษในสิ่งแวดล้อม: การประกอบ BBB ซึ่งมักจะอิงตามระบบจำลองสัตว์ สามารถช่วยประเมินผลกระทบพิษของสารมลพิษในสิ่งแวดล้อม ยา และสารเคมีอื่นๆ
• การพัฒนาภูมิคุ้มกันบำบัด: การสำรวจบทบาทของ BBB ในโรคอักเสบของระบบประสาทและการเสื่อมของระบบประสาท การประกอบใหม่ๆ นี้สามารถสนับสนุนการส่งมอบการบำบัดภูมิคุ้มกันไปยังสมองได้
• การวิจัยด้านชีววิศวกรรมและวัสดุชีวภาพ: วิศวกรชีวการแพทย์และนักวิทยาศาสตร์วัสดุสามารถใช้ประโยชน์จากความพร้อมใช้งานของแบบจำลอง BBB ในห้องปฏิบัติการเพื่อทดสอบวัสดุชีวภาพใหม่ ๆ พาหนะในการส่งยา และกลยุทธ์ทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

“โดยรวมแล้ว การประกอบ BBB ถือเป็นเทคโนโลยีปฏิวัติใหม่ที่มีความหมายกว้างขวางสำหรับประสาทวิทยา การค้นพบยา และการแพทย์เฉพาะบุคคล” Guo กล่าว