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
Questo studio valida un modello quantitativo di organoide 3D della BBB umana mediante UPLC-MS/MS, dimostrando che i suoi rapporti di assorbimento dei farmaci correlano significativamente con i rapporti cervello-plasma in vivo e superano gli attuali strumenti di previsione in silico per la valutazione della permeabilità della barriera emato-encefalica.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo
Il cervello umano è una fortezza, protetta da un confine altamente selettivo noto come barriera emato-encefalica. Questa barriera agisce come un guardiano, permettendo il passaggio di nutrienti essenziali e bloccando la maggior parte delle sostanze, compresi molti medicinali salvavita, dall'entrare nel sistema nervoso centrale. Per i ricercatori che cercano di trattare le malattie cerebrali, questo cancello è sia uno scudo necessario che un frustrante ostacolo. Per sviluppare farmaci efficaci, gli scienziati devono prima capire quanto bene un potenziale medicinale possa attraversare questa barriera. Tradizionalmente, ciò è stato fatto utilizzando test sugli animali o semplici strati cellulari coltivati in piastre piatte, ma questi metodi spesso non riescono a prevedere accuratamente come un farmaco si comporterà in un corpo umano. Gli animali differiscono dalle persone in modi che contano per il trasporto dei farmaci, e gli strati cellulari piatti mancano della complessa struttura tridimensionale presente nei tessuti reali. Di conseguenza, molti farmaci promettenti falliscono nelle sperimentazioni umane perché i test precedenti hanno fornito risultati fuorvianti, mentre i trattamenti efficaci per le condizioni cerebrali rimangono fuori portata.
Un team di ricercatori dell'Università di Heidelberg ha sviluppato un nuovo modo per testare la permeabilità dei farmaci che colma questa lacuna. Hanno creato minuscole sfere tridimensionali di cellule umane, chiamate organoidi, che mimano la struttura e la funzione della barriera emato-encefalica umana. Questi organoidi sono costruiti con tre tipi specifici di cellule umane: cellule endoteliali che formano il rivestimento dei vasi sanguigni, periciti che avvolgono i vasi e astrociti che sostengono la struttura. Quando coltivate insieme, queste cellule si auto-assemblano in un ammasso sferico dove le cellule endoteliali formano uno strato esterno continuo, somigliando da vicino alla barriera naturale presente nel cervello. I ricercatori hanno poi ideato un metodo per misurare esattamente quanto farmaco entri in questi minuscoli organoidi. Utilizzando la spettrometria di massa altamente sensibile, una tecnica che identifica e pesa le molecole, sono stati in grado di quantificare la quantità di farmaco all'interno di un singolo organoide dopo l'esposizione a una soluzione. Questo approccio ha permesso loro di calcolare un rapporto tra la concentrazione di farmaco all'interno della sfera rispetto al liquido circostante, fornendo una misura precisa di quanto facilmente il farmaco abbia attraversato la barriera.
Lo studio ha testato tredici farmaci diversi, inclusi alcuni utilizzati per trattare tumori cerebrali e altre condizioni. I ricercatori hanno esposto gli organoidi a questi farmaci per tempi variabili e ne hanno misurato l'assorbimento. Hanno scoperto che la quantità di farmaco che entra negli organoidi correla fortemente con i dati provenienti da studi reali su esseri umani e animali riguardo a quanto di quei medesimi farmaci raggiunga effettivamente il cervello negli organismi viventi. Nello specifico, il rapporto tra il farmaco all'interno dell'organoide e il farmaco all'esterno corrispondeva al rapporto tra il farmaco nel cervello e il farmaco nel plasma sanguigno osservato in precedenti ricerche cliniche e animali. Questa correlazione non era solo una vaga tendenza; la relazione matematica era abbastanza robusta da suggerire che questo nuovo modello potesse prevedere in modo affidabile se un farmaco sarebbe entrato con successo nel cervello umano. Al contrario, quando i ricercatori hanno confrontato i loro risultati con le previsioni fatte da strumenti software informatici progettati per stimare la penetrazione cerebrale, tali modelli digitali non mostravano alcuna correlazione con i dati del mondo reale. I modelli informatici non riuscivano a catturare le sfumature che le cellule umane viventi negli organoidi dimostravano naturalmente.
Per garantire che gli organoidi funzionassero correttamente, il team ha anche testato l'integrità della barriera. Hanno utilizzato una piccola molecola segnale che normalmente non può passare attraverso una barriera stretta. Quando hanno trattato gli organoidi con sostanze note per allentare le connessioni tra le cellule, il marcatore è stato in grado di defluire più facilmente, confermando che la compattezza della barriera poteva essere alterata e misurata. Hanno anche controllato la salute delle cellule, confermando che gli organoidi rimanessero vitali e che le cellule mantenessero le loro forme e connessioni specifiche durante diversi giorni di coltura. Il tempo ottimale per eseguire questi test è stato individuato in tre giorni dopo che le cellule sono state mescolate per la prima volta, un punto in cui la barriera è completamente formata e le cellule sono sane. Questa tempistica ha permesso di ottenere risultati coerenti e riproducibili in molti diversi esperimenti.
La significatività di questo lavoro risiede nella sua capacità di fornire un sistema di test rilevante per l'uomo che sia sia accessibile che quantitativo. A differenza dei modelli precedenti che si affidavano alla fluorescenza o all'imaging, che possono essere limitati dalla dimensione delle molecole che possono rilevare, questo metodo utilizza la spettrometria di massa per misurare la quantità chimica effettiva di farmaco all'interno dell'organoide. Ciò consente la rilevazione di quantità molto piccole di medicinali, rendendo possibile lo studio di farmaci che non attraversano facilmente la barriera. I ricercatori hanno dimostrato che questo sistema è una "Nuova Metodologia Approcciata" (New Approach Methodology), un termine usato per i metodi di test che riducono o sostituiscono la necessità di test sugli animali. Dimostrando che il loro modello di cellule umane prevede i risultati del mondo reale meglio delle attuali simulazioni informatiche, lo studio offre uno strumento potente per gli sviluppatori di farmaci. Suggerisce che in futuro, gli scienziati potrebbero sottoporre potenziali medicinali a questi organoidi umani per identificare rapidamente quali di essi sono probabili che raggiungano il cervello e quali saranno bloccati, snellendo il percorso verso nuovi trattamenti per i disturbi cerebrali senza fare affidamento su modelli animali o su imprecisioni informatiche.
Sommerso dagli articoli nel tuo campo?
Ricevi digest giornalieri degli articoli più recenti corrispondenti alle tue parole chiave di ricerca — con riassunti tecnici, nella tua lingua.