Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine der dichtesten und wichtigsten Barrieren im Zentralnervensystem dar. Es besteht ein hoher Bedarf an klinisch relevanten in vitro Testsystemen in der Grundlagen- sowie präklinischen Forschung. Das Ziel des Gesamtvorhabens ist daher die Weiterentwicklung und Validierung neuer in vitro BHS-Modelle, basierend auf humanen pluripotenten Stammzellen (hiPS). Im vorliegenden Vorhaben werden Prozessparameter entwickelt, die für die Entwicklung von funktionalen humanen BHS-Modellen relevant sind. Zunächst werden hierfür standardisierte Modelle auf Basis etablierter hiPS-Linien aufgebaut. Dies schließt sowohl die Implementierung relevanter neurovaskulärer Zelltypen (d.h. Endothelzellen, Astrozyten, Perizyten und neurale Progenitoren), die Adaption der Zellträgermatrix sowie die Kulturbedingungen (statisch, dynamisch) mit ein. Schließlich werden neuartige genetisch modifizierte Alzheimer hiPS-Klone im Transwelltestsystem evaluiert. Ziel ist die Bereitstellung klinisch relevanter in vitro Testsysteme für die Grundlagen- sowie die präklinische Forschung.

Das Ziel des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung und Validierung von neuartigen, auf humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC)-basierenden in vitro Blut-Hirn-Schranke (BHS) Modellen, für welche ein dringender Bedarf sowohl in der Grundlagen- und medizinischen Forschung als auch in der Pharmaindustrie besteht. Im Teilprojekt werden die etablierten iPSC-basierten BHS Modelle zu High-Throughput-Screening (HTS) kompatiblen Formaten weiterentwickelt. Bei der Miniaturisierung werden zwei verschiedene Strategien verfolgt: Erstens die Verwendung eines Modells mit niedriger Komplexität, bestehend aus Präparationen reiner Endothelzellen und zweitens die Verwendung von aufwändigen Co-Kultur Systemen aus Endothelzellen, Perizyten, Astrozyten und neuronalen Vorläuferzellen (NPCs). Der zweite Entwicklungsschritt ist die Testung dieser BHS Modelle auf ihre Durchlässigkeit für eine Reihe von zugelassenen Arzneistoffen mit bekanntem Wirkmechanismus. Im dritten Abschnitt wird die "gesunde" in vitro Blut-Hirn-Schranke mit proinflammatorischen Mediatoren und/oder Aß-Oligomeren behandelt, sodass ein lokales Milieu entsteht, welches unter anderem bei der Alzheimerschen Erkrankung gefunden wird. Im letzten Abschnitt werden die etablierten Assays auf weitere neuartige, hiPSC-basierende BHS Modelle übertragen, um so eine allgemeine Anwendbarkeit der Verfahren zu dokumentieren.

Die geplanten Arbeiten wollen untersuchen welche Rolle die Bluthirnschranke bei der Entstehung, dem Verlauf und der Behandlung der Alzheimer-Krankheit spielt. Hierfür sollen krankheitsspezifische Stammzellmodelle eingesetzt werden. Das Stammzellmodell imitiert mögliche molekulare Krankheitsmechanismen. Im Vorhaben werden von Alzheimer-Patienten Zellen entnommen und zu Stammzellen transformiert. Aus diesen werden wiederum verschiedene Nervenzellen und auch andere Zellen gebildet, die den Zellen an der Blut-Hirnschranke im menschlichen Gehirn sehr ähnlich sind. Die aus Stammzellen generierten Zellen werden hinsichtlich ihres Krankhaften Phänotyps studiert und untersucht. Die gegenwertig wenig verstandenen Krankheitsmechanismen der Alzheimer-Erkrankung sollen dadurch genauer charakterisiert werden.

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine der dichtesten und wichtigsten Barrieren im Zentralnervensystem dar. Es besteht ein hoher Bedarf an klinisch relevanten in vitro-Testsystemen in der Grundlagen- sowie präklinischen Forschung. Dieses Vorhaben zielt auf die Entwicklung prädiktiver in silico-Netzwerkmodelle zur Simulation der Blut-Hirn-Schranke und ihrer Permeabilität ab. Dabei wird auf die von den Verbundpartnern gewonnenen Daten aus in vitro-Permeationsassays aufgebaut. Targets, die die Funktion der Blut-Hirn-Schranke modulieren, werden mittels Simulation der Netzwerkmodelle identifiziert. Ein in silico-Modell zur Vorhersage der Permeabilität von Wirkstoffen über die BHS wird ebenfalls entwickelt. Das Ziel ist es, individualisierte, prädiktive mechanistische Netzwerkmodelle für die Zellen der BHS insbesondere im Hinblick auf ihre Permeabilität zu erstellen. Ferner werden durch Analyse und Simulation dieser Netzwerkmodelle unter Berücksichtigung der von den Projektpartnern gewonnenen experimentellen Daten zelluläre Targets identifiziert, die die Permeabilität durch die BHS modulieren. Abschließend werden "Qualitative Structure Property Relationship" (QSPR) Modelle für die BHS aus Literaturdaten und den im Projekt gewonnenen Permeabilitätsdaten erstellt, die die Struktur von Wirkstoffen mit ihren Eigenschaften verknüpfen.

Es wird ein mikrofluidisches System für die Langzeit-Kokultur humaner Blut-Hirn-Schranken (BHS)-Modelle mit humanen Leberäquivalenten auf der Basis der existierenden Multi-Organ-Chip (MOC) Technologie entwickeln. Substanzexposition in einem solchen Kokultur-System soll dann die Bildung von Lebermetaboliten, deren Verfügbarkeitstestung in der BHS als auch deren direkte Testung auf neurotoxikologische Effekte erlauben. Weiterhin wird ein Langzeittest für die wiederholte tägliche Exposition des Kokultursystems gegenüber relevanten Arzneimittelkandidaten etabliert.