Специалисты из известного итальянского технологического института IIT (Istituto Italiano di Tecnologia) недавно разработали гибридное устройство, которое представляет собой своего рода упрощенный функциональный аналог гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Данная биологическая структура обеспечивает защиту центральной нервной системы от патогенных факторов, включая вирусы и токсичные соединения. Вместе с тем ГЭБ создает значительные препятствия для проникновения в мозг лекарственных препаратов при их системном введении. Созданное исследователями устройство сочетает в себе компоненты как искусственного, так и природного происхождения для преодоления указанных ограничений. Оно будет использоваться для изучения и разработки новых стратегий преодоления гематоэнцефалического барьера, необходимых для создания новых способов борьбы с заболеваниями головного мозга, такими, как злокачественные опухоли.

Устройство представляет собой микрожидкостную систему, состоящую из искусственных компонентов, созданных при помощи современных технологий трехмерного нано- и микропроизводства, к примеру, двухфотонной литографии. В состав этой системы, для обеспечения ее биологической совместимости, входят и компоненты естественного происхождения, эндотелиальные клетки (клетки, покрывающие внутреннюю поверхность кровеносных сосудов).

Трехмерная печать искусственных компонентов была выполнена при помощи лучей лазеров, которые фокусировались в определенной точке пространства, заполненного жидким фотополимером. Эта технология позволяет изготавливать, слой за слоем, трехмерные объекты с субмикронной разрешающей способностью.

В данном случае при помощи такой трехмерной печати были изготовлены аналгии микрокапилляров, полые трубочки, диаметром 10 микрометров, в поверхности которых созданы “поры”, диаметром около 1 микрометра, равномерно распределенные по всей поверхности искусственного капилляра.

Вся система искусственного “гематоэнцефалического барьера” состоит из 50 трубочек-капилляров и после ее окончательного изготовления вся поверхность этой структуры была покрыта эндотелиальными клетками, которые и сформировали биологическую составляющую барьера. Все устройство имеет размеры в несколько миллиметров и испытуемые жидкости могут просачиваться сквозь него при избыточном давлении, эквивалентном давлению крови в кровеносных сосудах.

В будущем исследователи собираются использовать искусственный “гематоэнцефалический барьер” для изучения и решения вопросов, связанных с доставкой в мозг лекарственных препаратов при помощи носителей различного вида, в роли которых могут выступать специальные вирусы, наночастицы или даже управляемые нанороботы. И естественно, что результаты данных исследований смогут сыграть одну из ключевых ролей в деле разработки новых высокоэффективных методов лечения рака мозга, рассеянного склероза, болезни Альцгеймера и т.п.

Для любознательных

Следует отметить что в настоящее время никто еще не создаёт «устройство-аналог» в смысле искусственной замены мозга — речь идёт о лабораторных моделях, которые воспроизводят ключевые свойства и функции гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) в пробирке или на чипе. Такие системы нужны, чтобы изучать, как барьер работает в норме и при болезнях, а главное — тестировать, как через него проникают лекарства. Я подобрала примеры, кто этим занимается. cyberleninka.ru +2

В России

Один из самых заметных проектов — совместная разработка Научного центра неврологии (НЦН) и МГТУ им. Н. Э. Баумана. Учёные создают модель «мозга на чипе». Её фишка в том, что они моделируют сразу два барьера: гематоэнцефалический (между кровью и тканью мозга) и гематоликворный (между кровью и спинномозговой жидкостью). В микрофлюидном чипе заселяют разные клетки (эндотелий, астроциты, перициты), чтобы воспроизвести сложную структуру и динамику реальной системы. Цель — в ускоренном режиме проверять, как потенциальные лекарства преодолевают барьер, и глубже изучать нейрозаболевания. Проект пока на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок (НИОКР), но эксперты считают направление перспективным.

Ещё один пример: на химическом факультете МГУ  разработали эффективную прогнозирующую модель на основе искусственных нейронных сетей. Она помогает предсказывать, сможет ли конкретное лекарственное соединение проникнуть через ГЭБ, анализируя его молекулярную структуру.

В мире

За рубежом тоже активно работают в этом направлении. Например:

• Исследователи из Высшей технической школы Цюриха создали микрофлюидную трёхмерную модель ГЭБ. В ней объединили эндотелиоциты, перициты и астроциты — то есть воспроизвели трёхмерную клеточную структуру микрососудов реального барьера. Движение жидкости имитируют с помощью резервуаров на концах платформы.
• Есть и другие подходы: отдельные группы учёных разрабатывают системы с использованием полых волокон в качестве каркаса для клеток, чтобы создать динамическую, проточную модель.
• Параллельно развиваются компьютерные (in silico) модели. С помощью математического моделирования и машинного обучения пытаются симулировать поведение барьера и транспорт веществ — это дополняет экспериментальные клеточные системы.

Зачем это нужно?

Такие модели решают практическую задачу: ГЭБ сильно ограничивает доставку лекарств в мозг (например, при болезни Альцгеймера, нейроонкологии, нейродегенеративных заболеваниях). Понимая, как барьер работает на модели, учёные могут искать способы адресной доставки препаратов — например, с помощью наночастиц, модифицированных пептидов или других методов.

Если вам интересно копнуть глубже в какую-то из технологий (например, как именно устроены микрофлюидные чипы или как работают нейросети для прогноза проницаемости).