Drug quantification in single 3D organoids reveals correlation to reported in vivo brain uptake and demonstrates translational relevance for prediction of blood-brain barrier permeability
Cette étude valide un modèle d'organoïde 3D quantitatif de la barrière hémato-encéphalique humaine par UPLC-MS/MS, démontrant que ses rapports de captation de médicaments sont significativement corrélés aux rapports cerveau-plasma in vivo et surpassent les outils de prédiction in silico actuels pour évaluer la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique.
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Le cerveau humain est une forteresse, protégée par une frontière hautement sélective connue sous le nom de barrière hémato-encéphalique. Cette barrière agit comme un garde-barrière, permettant le passage des nutriments essentiels tout en bloquant la plupart des substances, y compris de nombreux médicaments vitaux, pour entrer dans le système nerveux central. Pour les chercheurs tentant de traiter les maladies cérébrales, cette porte est à la fois un bouclier nécessaire et un obstacle frustrant. Pour développer des médicaments efficaces, les scientifiques doivent d'abord comprendre si un médicament potentiel peut traverser cette barrière. Traditionnellement, cela a été fait en utilisant des tests sur des animaux ou de simples couches de cellules cultivées dans des boîtes plates, mais ces méthodes échouent souvent à prédire avec précision comment un médicament se comportera dans un corps humain. Les animaux diffèrent des humains par des aspects qui comptent pour le transport des médicaments, et les couches cellulaires plates manquent de la structure tridimensionnelle complexe que l'on trouve dans les tissus réels. Par conséquent, des médicaments prometteurs échouent souvent lors des essais cliniques humains parce que les tests antérieurs ont donné des résultats trompeurs, tandis que des traitements efficaces pour les pathologies cérébrales restent hors de portée.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Heidelberg a développé une nouvelle façon de tester la perméabilité des médicaments qui comble cette lacune. Ils ont créé de minuscules sphères tridimensionnelles de cellules humaines, appelées organoïdes, qui imitent la structure et la fonction de la barrière hémato-encéphalique humaine. Ces organoïdes sont construits à partir de trois types spécifiques de cellules humaines : des cellules endothéliales qui forment la paroi des vaisseaux sanguins, des péricytes qui entourent les vaisseaux et des astrocytes qui soutiennent la structure. Lorsqu'elles sont cultivées ensemble, ces cellules s'auto-assemblent en un amas sphérique où les cellules endothéliales forment une couche externe continue, ressemblant étroitement à la barrière naturelle présente dans le cerveau. Les chercheurs ont ensuite conçu une méthode pour mesurer exactement quelle quantité de médicament pénètre dans ces minuscules sphères. En utilisant la spectrométrie de masse de haute sensibilité, une technique qui identifie et pèse les molécules, ils ont pu quantifier la quantité de médicament à l'intérieur d'un seul organoïde après l'avoir exposé à une solution. Cette approche leur a permis de calculer un ratio de la concentration de médicament à l'intérieur de la sphère par rapport au liquide environnant, fournissant une mesure précise de la facilité avec laquelle le médicament a traversé la barrière.
L'étude a testé treize médicaments différents, dont plusieurs utilisés pour traiter les tumeurs cérébrales et d'autres pathologies. Les chercheurs ont exposé les organoïdes à ces médicaments pendant des durées variables et ont mesuré l'absorption. Ils ont constaté que la quantité de médicament pénétrant dans les organoïdes était fortement corrélée aux données issues d'études réelles humaines et animales concernant la quantité de ces mêmes médicaments atteignant réellement le cerveau dans les organismes vivants. Plus précisément, le ratio du médicament à l'intérieur de l'organoïde par rapport au médicament à l'extérieur correspondait au ratio du médicament dans le cerveau par rapport au médicament dans le plasma sanguin observé dans les recherches cliniques et animales antérieures. Cette corrélation n'était pas seulement une tendance vague ; la relation mathématique était suffisamment robuste pour suggérer que ce nouveau modèle pourrait prédire de manière fiable si un médicament entrerait avec succès dans le cerveau humain. En revanche, lorsque les chercheurs ont comparé leurs résultats aux prédictions faites par des outils logiciels informatiques conçus pour estimer la pénétration cérébrale, ces modèles numériques ne montraient aucune corrélation avec les données du monde réel. Les modèles informatiques ne parvenaient pas à capturer les nuances que les cellules humaines vivantes des organoïdes démontraient naturellement.
Pour s'assurer que les organoïdes fonctionnaient correctement, l'équipe a également testé l'intégrité de la barrière. Ils ont utilisé une petite molécule marqueuse qui ne peut normalement pas traverser une barrière étanche. Lorsqu'ils ont traité les organoïdes avec des substances connues pour desserrer les connexions entre les cellules, le marqueur a pu être évacué plus facilement, confirmant que l'étanchéité de la barrière pouvait être modifiée et mesurée. Ils ont également vérifié la santé des cellules, confirmant que les organoïdes restaient viables et que les cellules maintenaient leurs formes et connexions spécifiques au cours de plusieurs jours de culture. Le moment optimal pour effectuer ces tests a été identifié à trois jours après que les cellules ont été mélangées pour la première fois, un point où la barrière est pleinement formée et les cellules sont en bonne santé. Ce calendrier permettait d'obtenir des résultats cohérents et reproductibles lors de nombreuses expériences différentes.
La portée de ce travail réside dans sa capacité à fournir un système de test pertinent pour l'humain qui soit à la fois accessible et quantitatif. Contrairement aux modèles précédents qui reposaient sur la fluorescence ou l'imagerie, qui peuvent être limités par la taille des molécules qu'ils peuvent détecter, cette méthode utilise la spectrométrie de masse pour mesurer la quantité chimique réelle de médicament à l'intérieur de l'organoïde. Cela permet la détection de très petites quantités de médicaments, rendant possible l'étude de médicaments qui traversent difficilement la barrière. Les chercheurs ont démontré que ce système est une « Méthodologie d'Approche Nouvelle » (New Approach Methodology), un terme utilisé pour les méthodes de test qui réduisent ou remplacent le besoin de tests sur les animaux. En montrant que leur modèle de cellules humaines prédit mieux les résultats du monde réel que les simulations informatiques actuelles, l'étude offre un outil puissant pour les développeurs de médicaments. Elle suggère qu'à l'avenir, les scientifiques pourraient cribler des médicaments potentiels sur ces organoïdes humains pour identifier rapidement lesquels sont susceptibles d'atteindre le cerveau et lesquels seront bloqués, rationalisant ainsi la voie vers de nouveaux traitements pour les troubles cérébraux sans dépendre de modèles animaux ou de suppositions informatiques inexactes.
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