Cubos de tejido cerebral permiten el descubrimiento de fármacos sin animales

La barrera hematoencefálica es un guardián estricto alrededor del cerebro que evita que sustancias extrañas en la sangre ingresen al cerebro. Aunque protectora, la barrera plantea desafíos cuando los tratamientos necesitan afectar el cerebro para funcionar. Por lo tanto, al desarrollar fármacos para tratar enfermedades cerebrales, es crucial no sólo probar la eficacia del fármaco dentro del cerebro, sino también confirmar que el fármaco puede atravesar la barrera.

Desarrollar nuevos medicamentos requiere mucho tiempo y es costoso. En las primeras etapas preclínicas, los métodos convencionales se basan en pruebas con animales. Sin embargo, las diferencias entre animales y humanos a veces hacen difícil predecir la eficacia de un fármaco en humanos, así como sus efectos secundarios nocivos. Junto con el aumento en el número de regulaciones que rigen los experimentos con animales, estos problemas han alentado a los investigadores a desarrollar métodos de investigación que no dependan de pruebas con animales, como el uso de organoides (estructuras que imitan órganos humanos) así como órganos en un chip. . , con el objetivo final de crear órganos humanos artificiales para uso externo.

La barrera hematoencefálica se modeló con cerebros en un cubo, lo que permitió realizar pruebas de drogas sin utilizar animales. Ilustración de Hiroko Uchida.

Con esto en mente, el equipo de investigación liderado por Masaya Hagiwara en RIKEN BDR desarrolló un nuevo modelo de barrera hematoencefálica utilizando el sistema tipo CUBE que recientemente establecieron para la modularización de diferentes tejidos humanos. Reconstruir múltiples tejidos simultáneamente y analizar sus interacciones es extremadamente desafiante porque los medicamentos deben cruzar diferentes tipos de tejidos antes de llegar al área objetivo, pero también es muy importante. En el caso de la barrera hematoencefálica, los fármacos deben atravesar las células endoteliales vasculares, los astrocitos y los pericitos antes de poder entrar en el cerebro.

Para construir el modelo de barrera hematoencefálica, los investigadores crearon marcos CUBE de 5 mm, los llenaron con un hidrogel incrustado con astrocitos y pericitos derivados del cerebro humano, y sembraron células endoteliales vasculares diferenciadas de células madre pluripotentes inducidas por humanos (iPS) en el superficie para formar láminas celulares. Luego probaron el dispositivo. Según Hagiwara, «estuvimos encantados de descubrir que imita con precisión la barrera hematoencefálica real en términos de estructura y función: con astrocitos y pericitos extendiéndose tridimensionalmente debajo de la capa de células endoteliales, y eso, al igual que la barrera real, sólo permitía el paso de sustancias limitadas.»

Una característica importante del marco CUBE es que se puede manipular fácilmente con fórceps, lo que permite un manejo conveniente del modelo de barrera hematoencefálica, mientras que el cultivo celular se realiza en una placa de cultivo celular normal. Después de la maduración, el tejido se integró con otros tejidos preparados en un chip fluídico para analizar las interacciones del tejido, encajando así en la plataforma modular Tissue-in-a-CUBE previamente establecida.

Para demostrar la utilidad del sistema para el desarrollo de fármacos, el grupo llevó a cabo experimentos de detección de fármacos. Se cultivaron células de tumores cerebrales en el recipiente CUBE para preparar un módulo de tumores cerebrales. Luego, los módulos de la barrera hematoencefálica y del tumor cerebral se transfirieron a un chip fluídico y se conectaron. Esta configuración permitió a los investigadores verificar qué cantidad del medicamento contra el cáncer puede atravesar la barrera, llegar al tumor cerebral y ejercer su efecto.

«Este enfoque innovador ofrece una alternativa prometedora a las pruebas con animales para pruebas esenciales para el desarrollo de fármacos, lo que implica comprender el comportamiento, la eficacia y la seguridad de los fármacos», afirma Hagiwara. “Nuestra plataforma modular se puede adaptar a diversas enfermedades, incluidas enfermedades neurodegenerativas relacionadas con la edad, como el Alzheimer y el Parkinson. En el futuro planeamos hacer modulares y replicar las conexiones entre diferentes organoides».