Föreställ dig hjärnan som ett flygledningstorn, som övervakar de avgörande och komplexa operationerna på kroppens "flygplats". Detta torn, som är avgörande för att koordinera det oupphörliga flödet av neurologiska signaler, bevakas av ett formidabelt lager som fungerar som flygplatsens säkerhetsteam, som noggrant kontrollerar allt och alla, och säkerställer att inga oönskade inkräktare stör det viktiga arbetet inuti.
Denna säkerhet, även om den är livsviktig, har en betydande nackdel:ibland behövs en "mekaniker" - i form av kritisk medicin som behövs för att behandla neurologiska störningar - inuti kontrolltornet för att åtgärda problem som uppstår. Men om säkerheten är för sträng och nekar även dessa viktiga agenter inträde, kan själva verksamheten de är avsedda att skydda äventyras.
Nu når forskare under ledning av Michael Mitchell från University of Pennsylvania denna långvariga gräns inom biologin, känd som blod-hjärnbarriären, genom att utveckla en metod som liknar den här mekanikern med ett speciellt nyckelkort för att kringgå säkerheten. Deras resultat, publicerade i tidskriften Nano Letters , presentera en modell som använder lipidnanopartiklar (LNP) för att leverera mRNA, vilket ger nytt hopp för att behandla tillstånd som Alzheimers sjukdom och anfall – inte helt olikt att åtgärda kontrolltornets fel utan att kompromissa med dess säkerhet.
"Vår modell presterade bättre på att korsa blod-hjärnbarriären än andra och hjälpte oss att identifiera organspecifika partiklar som vi senare validerade i framtida modeller", säger Mitchell, docent i bioteknik vid Penns School of Engineering and Applied Science, och senior författare. på studien. "Det är ett spännande proof of concept som utan tvekan kommer att informera om nya metoder för att behandla tillstånd som traumatisk hjärnskada, stroke och Alzheimers."
För att utveckla modellen har Emily Han, en Ph.D. kandidat och NSF Graduate Research Fellow i Mitchell Lab och första författare till uppsatsen, förklarar att det började med en sökning efter den rätta in vitro-screeningsplattformen, och sa:"Jag gick igenom litteraturen, de flesta plattformarna jag hittade var begränsade till en vanlig 96-brunnars platta, en tvådimensionell array som inte kan representera både de övre och nedre delarna av blod-hjärnbarriären, vilket motsvarar blodet respektive hjärnan."
Han undersökte sedan transwellsystem med hög genomströmning med båda avdelningarna men fann att de inte stod för mRNA-transfektion av cellerna, vilket avslöjade en lucka i utvecklingsprocessen. Detta ledde till att hon skapade en plattform som kan mäta mRNA-transport från blodfacket till hjärnan, såväl som transfektion av olika hjärncellstyper inklusive endotelceller och neuroner.
"Jag tillbringade månader med att räkna ut de optimala förhållandena för detta nya in vitro-system, inklusive vilka celltillväxtförhållanden och fluorescerande reportrar att använda," förklarar Han. "När vi väl var robusta screenade vi vårt bibliotek av LNP och testade dem på djurmodeller. Att se hjärnan uttrycka protein som ett resultat av det mRNA vi levererade var spännande och bekräftade att vi var på rätt väg."
Teamets plattform är redo att avsevärt förbättra behandlingar för neurologiska störningar. Den är för närvarande skräddarsydd för att testa en rad LNP:er med hjärninriktade peptider, antikroppar och olika lipidkompositioner. Men det kan också leverera andra terapeutiska medel som siRNA, DNA, proteiner eller småmolekylära läkemedel direkt till hjärnan efter intravenös administrering.
Dessutom är detta tillvägagångssätt inte begränsat till blod-hjärnbarriären, eftersom det är lovande för att utforska behandlingar för graviditetsrelaterade sjukdomar genom att rikta in blod-placentalbarriären, och för retinala sjukdomar med fokus på blod-retinalbarriären.
Teamet är ivrigt att använda den här plattformen för att screena nya konstruktioner och testa deras effektivitet i olika djurmodeller. De är särskilt intresserade av att arbeta med medarbetare med avancerade djurmodeller av neurologiska störningar.
"Vi samarbetar med forskare vid Penn för att etablera hjärnsjukdomsmodeller," säger Han. "Vi undersöker hur dessa LNP påverkar möss med olika hjärntillstånd, allt från glioblastom till traumatiska hjärnskador. Vi hoppas kunna göra inbrytningar för att reparera blod-hjärnbarriären eller målneuroner som skadats efter skadan."
Andra författare inkluderar Marshall Padilla, Rohan Palanki, Dongyoon Kim, Kaitlin Mrksich, Jacqueline Li, Sophia Tang och Il-Chul Yoon från Penn Engineering.
Mer information: Emily L. Han et al, Predictive High-Throughput Platform for Dual Screening of mRNA Lipid Nanopartikel Blod–Brain Barriary Transfection and Crossing, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03509
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av University of Pennsylvania
