สมองขนาดเล็กของมนุษย์ตัวแรกที่มีแผงกั้นเลือดและสมองที่ใช้งานได้ถูกสร้างขึ้น

การวิจัยใหม่โดยทีมงานที่นำโดยผู้เชี่ยวชาญที่ Cincinnati Children's ได้สร้างสมองมนุษย์ขนาดเล็กตัวแรกของโลกที่มีอุปสรรคในเลือดและสมอง (BBB) ที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญนี้ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Cell Stem Cell มีแนวโน้มว่าจะช่วยเร่งความเข้าใจและปรับปรุงการรักษาโรคทางสมองได้หลากหลายประเภท เช่น โรคหลอดเลือดสมอง โรคหลอดเลือดสมอง มะเร็งสมอง โรคอัลไซเมอร์ โรคฮันติงตัน โรคพาร์กินสัน และโรคระบบประสาทเสื่อมอื่นๆ

“การขาดแบบจำลอง BBB ของมนุษย์ที่แท้จริงเป็นอุปสรรคสำคัญในการศึกษาโรคทางระบบประสาท” ดร. Ziyuan Guo ผู้เขียนหลักของการศึกษากล่าว

"ความก้าวหน้าของเราเกี่ยวข้องกับการสร้างออร์แกนอยด์ BBB ของมนุษย์จากเซลล์ต้นกำเนิดพหุศักยภาพของมนุษย์ ซึ่งเลียนแบบการพัฒนาระบบประสาทและหลอดเลือดของมนุษย์เพื่อสร้างภาพจำลองของอุปสรรคในการเจริญเติบโตและการทำงานของเนื้อเยื่อสมองได้อย่างแม่นยำ ความก้าวหน้านี้ถือเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญ เนื่องจากแบบจำลองสัตว์ที่เราใช้อยู่ในปัจจุบันไม่ได้สะท้อนถึงการพัฒนาสมองของมนุษย์และการทำงานของ BBB ได้อย่างแม่นยำ"

เลือดสมองคืออะไร อุปสรรค?

ไม่เหมือนกับส่วนอื่น ๆ ของร่างกายของเรา หลอดเลือดในสมองมีชั้นพิเศษของเซลล์ที่อัดแน่นอยู่ ซึ่งจำกัดขนาดของโมเลกุลที่สามารถผ่านจากกระแสเลือดไปยังระบบประสาทส่วนกลาง (CNS) ได้อย่างมาก

อุปสรรคที่ทำงานได้อย่างถูกต้องจะช่วยสนับสนุนสุขภาพของสมองโดยป้องกันไม่ให้สารอันตรายเข้ามาในขณะที่ให้สารอาหารที่สำคัญเข้าถึงสมองได้ อย่างไรก็ตาม อุปสรรคเดียวกันนี้ยังป้องกันไม่ให้ยาที่มีประโยชน์หลายอย่างเข้าถึงสมองได้อีกด้วย นอกจากนี้ ความผิดปกติทางระบบประสาทหลายอย่างเกิดขึ้นหรือแย่ลงเมื่อ BBB ไม่ก่อตัวอย่างเหมาะสมหรือเริ่มสลายตัว

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสมองของมนุษย์และสัตว์ทำให้ยาใหม่ที่น่าสนใจหลายตัวที่พัฒนาโดยใช้แบบจำลองของสัตว์ในภายหลังไม่สามารถทำงานได้ตามที่คาดไว้ในการทดลองกับมนุษย์

"ตอนนี้ เราได้พัฒนาแพลตฟอร์มนวัตกรรมที่ใช้เซลล์ต้นกำเนิดของมนุษย์โดยอาศัยวิศวกรรมชีวภาพของเซลล์ต้นกำเนิด ซึ่งช่วยให้เราสามารถศึกษาเกี่ยวกับกลไกที่ซับซ้อนซึ่งควบคุมการทำงานและความผิดปกติของ BBB ได้ ซึ่งเปิดโอกาสที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับการค้นพบยาใหม่และการแทรกแซงทางการรักษา" Guo กล่าว

การเอาชนะปัญหาที่ยืดเยื้อมายาวนาน

ทีมวิจัยทั่วโลกกำลังเร่งพัฒนาออร์แกนอยด์ของสมอง ซึ่งเป็นโครงสร้างสามมิติขนาดเล็กที่เติบโตและเลียนแบบขั้นตอนแรกของการสร้างสมอง ซึ่งแตกต่างจากเซลล์ที่ปลูกในจานทดลองแบบแบน เซลล์ของออร์แกนอยด์จะเชื่อมต่อกัน พวกมันจัดระเบียบตัวเองเป็นรูปทรงกลมและ "สื่อสาร" กันเอง เช่นเดียวกับเซลล์ของมนุษย์ในระหว่างการพัฒนาของตัวอ่อน

โรงพยาบาลเด็กซินซินแนติเป็นผู้นำในการพัฒนาออร์แกนอยด์ประเภทอื่นๆ รวมถึงออร์แกนอยด์ลำไส้ กระเพาะอาหาร และหลอดอาหารแบบใช้งานได้ตัวแรกของโลก แต่จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีศูนย์วิจัยใดที่สามารถสร้างออร์แกนอยด์ของสมองที่มีชั้นกั้นพิเศษที่พบในหลอดเลือดของสมองมนุษย์ได้

เราเรียกสิ่งเหล่านี้ว่าโมเดลใหม่ "แอสเซมบลี BBB"

ทีมวิจัยเรียกโมเดลใหม่ของพวกเขาว่า "แอสเซมบลี BBB" ชื่อของพวกมันสะท้อนถึงความสำเร็จที่ทำให้ความก้าวหน้าครั้งนี้เกิดขึ้นได้ แอสเซมบลีลอยด์เหล่านี้ผสมผสานออร์แกนอยด์สองประเภทที่แตกต่างกันเข้าด้วยกัน: ออร์แกนอยด์ของสมอง ซึ่งจำลองเนื้อเยื่อสมองของมนุษย์ และออร์แกนอยด์ของหลอดเลือด ซึ่งเลียนแบบโครงสร้างหลอดเลือด

กระบวนการผสมผสานเริ่มต้นด้วยออร์แกนอยด์ของสมองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3-4 มิลลิเมตร และออร์แกนอยด์ของหลอดเลือดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 มิลลิเมตร ในช่วงเวลาประมาณหนึ่งเดือน โครงสร้างที่แยกจากกันเหล่านี้จะหลอมรวมกันเป็นทรงกลมเดียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 4 มิลลิเมตรเล็กน้อย (ประมาณ 1/8 นิ้ว หรือประมาณขนาดเมล็ดงา)

คำอธิบายภาพ: กระบวนการหลอมออร์แกนอยด์สองประเภทเข้าด้วยกันเพื่อสร้างออร์แกนอยด์ของสมองของมนุษย์ที่มีส่วนกั้นระหว่างเลือดกับสมอง เครดิต: Cincinnati Children's และ Cell Stem Cell

ออร์แกนอยด์ที่ผสานรวมเหล่านี้สรุปปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือดที่ซับซ้อนมากมายที่สังเกตได้ในสมองมนุษย์ แต่ไม่ใช่แบบจำลองที่สมบูรณ์ของสมอง ตัวอย่างเช่น เนื้อเยื่อไม่มีเซลล์ภูมิคุ้มกันและไม่มีการเชื่อมต่อกับระบบประสาทส่วนอื่นของร่างกาย

ทีมวิจัยของ Cincinnati Children's ได้ก้าวหน้าในด้านการรวมและแบ่งออร์แกนอยด์จากเซลล์ประเภทต่างๆ เพื่อสร้าง "ออร์แกนอยด์รุ่นต่อไป" ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ความก้าวหน้าเหล่านี้ช่วยให้มีข้อมูลสำหรับงานวิจัยใหม่ในการสร้างออร์แกนอยด์ของสมอง

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือสามารถปลูกแอสเซมบลี BBB ได้โดยใช้เซลล์ต้นกำเนิดของมนุษย์ทั่วไปหรือเซลล์ต้นกำเนิดจากผู้ป่วยโรคทางสมองบางชนิด จึงสะท้อนถึงรูปแบบยีนและภาวะอื่นๆ ที่อาจนำไปสู่ความผิดปกติของอุปสรรคเลือด-สมอง

หลักฐานเบื้องต้นของแนวคิด

เพื่อแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ที่เป็นไปได้ของแอสเซมบลีใหม่ ทีมวิจัยได้ใช้สายเซลล์ต้นกำเนิดที่ได้จากผู้ป่วยเพื่อสร้างแอสเซมบลีที่สรุปลักษณะสำคัญของภาวะสมองผิดปกติที่เรียกว่า cerebral cavernous malformation ได้อย่างแม่นยำ

ความผิดปกติทางพันธุกรรมนี้โดดเด่นด้วยการหยุดชะงักของความสมบูรณ์ของอุปสรรคเลือดและสมอง ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของกลุ่มของหลอดเลือดที่ผิดปกติในสมอง ซึ่งมักจะมีลักษณะคล้ายกับราสเบอร์รี่ ความผิดปกตินี้เพิ่มความเสี่ยงของโรคหลอดเลือดสมองอย่างมาก

“แบบจำลองของเราสร้างฟีโนไทป์ของโรคได้อย่างแม่นยำ โดยให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับพยาธิวิทยาระดับโมเลกุลและเซลล์ของโรคหลอดเลือดสมอง” Guo กล่าว

การใช้งานที่เป็นไปได้

ผู้เขียนร่วมมองเห็นการใช้งานที่เป็นไปได้มากมายสำหรับแอสเซมบลอยด์ BBB:

• การคัดกรองยาเฉพาะบุคคล: แอสเซมบลอยด์ BBB ที่ได้จากผู้ป่วยสามารถใช้เป็นอวตารในการปรับแต่งการรักษาให้เหมาะกับผู้ป่วยโดยพิจารณาจากลักษณะทางพันธุกรรมและโมเลกุลที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขา
• การสร้างแบบจำลองโรค: ความผิดปกติของหลอดเลือดในระบบประสาทจำนวนหนึ่ง รวมถึงสภาวะที่หายากและซับซ้อนทางพันธุกรรม ยังขาดระบบแบบจำลองที่ดีสำหรับการวิจัย ความสำเร็จในการสร้างชุดประกอบ BBB สามารถเร่งการพัฒนาแบบจำลองเนื้อเยื่อสมองของมนุษย์ในสภาวะต่างๆ ได้มากขึ้น
• การค้นพบยาที่มีปริมาณงานสูง: การขยายขนาดการผลิตแอสเซมบลีลอยด์อาจช่วยให้วิเคราะห์ได้แม่นยำและรวดเร็วยิ่งขึ้นว่ายาในสมองที่มีศักยภาพสามารถข้าม BBB ได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่
• การทดสอบสารพิษต่อสิ่งแวดล้อม: แอสเซมลอยด์ BBB มักจะอิงตามระบบแบบจำลองสัตว์ สามารถช่วยประเมินผลกระทบที่เป็นพิษของมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ยา และสารประกอบทางเคมีอื่นๆ ได้
• การพัฒนาภูมิคุ้มกันบำบัด: ด้วยการสำรวจบทบาทของ BBB ในโรคทางระบบประสาทและโรคเกี่ยวกับความเสื่อมของระบบประสาท แอสเซมบลอยด์ชนิดใหม่อาจสนับสนุนการนำส่งการบำบัดด้วยภูมิคุ้มกันไปยังสมอง
• การวิจัยทางวิศวกรรมชีวภาพและวัสดุชีวภาพ: วิศวกรชีวการแพทย์และนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุสามารถใช้ประโยชน์จากแบบจำลองห้องปฏิบัติการของ BBB เพื่อทดสอบวัสดุชีวภาพใหม่ ยานพาหนะส่งยา และกลยุทธ์ทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

“โดยรวมแล้ว แอสเซมบลอยด์ BBB เป็นตัวแทนของเทคโนโลยีปฏิวัติวงการที่มีผลกระทบในวงกว้างต่อประสาทวิทยาศาสตร์ การค้นคว้ายา และการแพทย์เฉพาะบุคคล” Guo กล่าว