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
Deze studie valideert een kwantitatief 3D menselijk BBB-organoïdmodel met behulp van UPLC-MS/MS, waarbij wordt aangetoond dat de opnameverhoudingen van geneesmiddelen significant correleren met in vivo hersen-plasmaverhoudingen en huidige in silico voorspellingsinstrumenten voor het beoordelen van de bloed-hersenbarrière-permeabiliteit overtreffen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Het menselijk brein is een vesting, beschermd door een zeer selectieve grens die bekend staat als de bloed-hersenbarrière. Deze barrière fungeert als een poortwachter, waarbij essentiële voedingsstoffen worden doorgelaten terwijl de meeste stoffen, waaronder veel levensreddende medicijnen, worden tegengehouden om het centrale zenuwstelsel binnen te dringen. Voor onderzoekers die proberen hersenziekten te behandelen, is deze poort zowel een noodzakelijk schild als een frustrerende hindernis. Om effectieve medicijnen te ontwikkelen, moeten wetenschappers eerst begrijpen hoe goed een potentieel medicijn deze barrière kan passeren. Traditioneel is dit gedaan met dierproeven of eenvoudige cellagen die in platte schalen zijn gekweekt, maar deze methoden slagen er vaak niet in om accuraat te voorspellen hoe een medicijn zich in een menselijk lichaam zal gedragen. Dieren verschillen van mensen op manieren die relevant zijn voor het transport van medicijnen, en platte cellagen missen de complexe driedimensionale structuur die in echt weefsel wordt gevonden. Als gevolg hiervan falen veelbelovende medicijnen vaak in klinische studies bij mensen omdat de eerdere tests misleidende resultaten gaven, terwijl effectieve behandelingen voor hersenaandoeningen buiten bereik blijven.
Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Heidelberg heeft een nieuwe manier ontwikkeld om de doorlaatbaarheid van medicijnen te testen die deze kloof overbrugt. Ze creëerden piepkleine, driedimensionale sferen van menselijke cellen, organoïden genoemd, die de structuur en functie van de menselijke bloed-hersenbarrière nabootsen. Deze organoïden zijn opgebouwd uit drie specifieke typen menselijke cellen: endotheelcellen die de bekleding van de bloedvaten vormen, pericyten die de vaten omhullen, en astrocyten die de structuur ondersteunen. Wanneer deze cellen samen groeien, assembleren ze zichzelf tot een sferische cluster waarbij de endotheelcellen een continue buitenlaag vormen, wat nauw overeenkomt met de natuurlijke barrière die in de hersenen wordt gevonden. De onderzoekers bedachten vervolgens een methode om exact te meten hoeveel van een medicijn deze kleine sferen binnendringt. Door gebruik te maken van zeer gevoelige massaspectrometrie, een techniek die moleculen identificeert en weegt, konden zij de hoeveelheid medicijn binnen een enkele organoïde kwantificeren na blootstelling aan een oplossing. Deze aanpak stelde hen in staat om een ratio te berekenen van de concentratie van het medicijn binnen de sfeer versus de omringende vloeistof, wat een nauwkeurige maat geeft voor hoe gemakkelijk het medicijn de barrière heeft gepasseerd.
De studie testte dertien verschillende medicijnen, waaronder verschillende die worden gebruikt voor de behandeling van hersentumoren en andere aandoeningen. De onderzoekers stelden de organoïden bloot aan deze medicijnen gedurende variërende tijdsperioden en maten de opname. Ze ontdekten dat de hoeveelheid medicijn die de organoïden binnendringt sterk correleerde met gegevens uit echte menselijke en dierlijke studies over hoeveel van diezelfde medicijnen daadwerkelijk de hersenen bereiken in levende lichamen. Specifiek kwam de ratio van het medicijn binnen de organoïde versus het medicijn buiten de organoïde overeen met de ratio van het medicijn in de hersenen versus het medicijn in het bloedplasma die eerder in klinisch en dierlijk onderzoek werd waargenomen. Deze correlatie was niet slechts een vage trend; de wiskundige relatie was robuust genoeg om te suggereren dat dit nieuwe model betrouwbaar kan voorspellen of een medicijn succesvol de menselijke hersenen zal binnendringen. In contrast hiermee vertoonden de resultaten van de onderzoekers, wanneer vergeleken met voorspellingen van computersoftwaretools die ontworpen zijn om hersenpenetratie te schatten, geen correlatie met de real-world data; deze digitale modellen slaagden er niet in de nuances te vatten die de levende menselijke cellen in de organoïden van nature vertoonden.
Om te controleren of de organoïden correct functioneerden, testte het team ook de integriteit van de barrière. Ze gebruikten een klein marker-molecuul dat normaal gesproken niet door een nauwe barrière kan passeren. Wanneer ze de organoïden behandelden met stoffen die erom bekend staan de verbindingen tussen cellen te versoepelen, kon de marker gemakkelijker uitspoelen, wat bevestigde dat de nauwheid van de barrière kon worden gewijzigd en gemeten. Ze controleerden ook de gezondheid van de cellen en bevestigden dat de organoïden vitaal bleven en dat de cellen hun specifieke vormen en verbindingen behielden gedurende meerdere dagen van cultuur. De optimale tijd om deze tests uit te voeren bleek drie dagen na het eerst mengen van de cellen te zijn, een punt waarop de barrière volledig gevormd en de cellen gezond waren. Deze timing maakte consistente en reproduceerbare resultaten mogelijk tijdens vele verschillende experimenten.
De betekenis van dit werk ligt in het vermogen om een mens-relevante testmethode te bieden die zowel toegankelijk als kwantitatief is. In tegen tegenstelling tot eerdere modellen die vertrouwden op fluorescentie of beeldvorming, wat beperkt kan worden door de grootte van de moleculen die ze kunnen detecteren, gebruikt deze methode massaspectrometrie om de werkelijke chemische hoeveelheid medicijn binnen de organoïde te meten. Dit maakt de detectie van zeer kleine hoeveelheden medicatie mogelijk, wat het mogelijk maakt om medicijnen te bestuderen die niet gemakkelijk de barrière passeren. De onderzoekers toonden aan dat dit systeem een "New Approach Methodology" is, een term voor testmethoden die de noodzaak voor dierproeven verminderen of vervangen. Door aan te tonen dat hun menselijke celmodel real-world uitkomsten beter voorspelt dan huidige computersimulaties, biedt de studie een krachtig instrument voor medicijnontwikkelaars. Het suggereert dat wetenschappers in de toekomst potentiële medicijnen op deze menselijke organoïden kunnen screenen om snel te identificeren welke er waarschijnlijk de hersenen zullen bereiken en welke geblokkeerd zullen worden, waardoor de weg naar nieuwe behandelingen voor hersenaandoeningen wordt gestroomlijnd zonder afhankelijk te zijn van diermodellen of onnauwkeurige computergestuurde gissingen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.