Modern Methods and Materials for Modeling Brain Tissue and Blood-Brain Barrier In Vitro

Abstract

Neurovascular unit (NVU) is an ensemble of brain cells (cerebral endothelial cells, astrocytes, pericytes, neurons, and microglia), which regulates processes of transport through the blood-brain barrier (BBB) and controls local microcirculation and intercellular metabolic coupling. Dysfunction of NVU contributes to numerous types of central nervous system pathology. NVU pathophysiology has been extensively studied in various animal models of brain disorders, and there is growing evidence that modern approaches utilizing in vitro models are very promising for the assessment of intercellular communications within the NVU. Development of NVU‑on-chip or BBB‑on-chip as well as 3D NVU and brain tissue models suggests novel clues to understanding cell-to-cell interactions critical for brain functional activity, being therefore very important for translational studies, drug discovery, and development of novel analytical platforms. One of the mechanisms controlled by NVU activity is neurogenesis in highly specialized areas of brain (neurogenic niches, NNs), which are well-equipped for the maintenance of stem/progenitor cell pool and proliferation, differentiation, and migration of newly formed neuronal and glial cells. Specific properties of brain microvascular endothelial cells, particularly, high content of mitochondria, are important for establishment of vascular support in NVU and NNs. Metabolic activity of cells within NNs and NVU contributes to maintaining intercellular communications critical for the multicellular module integrity. We will discuss modern approaches to development of optimal microenvironment for in vitro BBB, NVU and NN models with the special focus on neuroengineering and bioprinting potentials

Нейроваскулярная единица (НВЕ) – это совокупность клеток головного мозга (церебральные эндотелиальные клетки, астроциты, перициты, нейроны, микроглия), которые регулируют процессы транспорта через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), контролируют местную микроциркуляцию, межклеточную метаболическую связь. Дисфункция НВЕ способствует возникновению многих типов патологии центральной нервной системы. Патофизиология НВЕ широко изучена на различных моделях заболеваний мозга на животных. В настоящее время появляется все больше свидетельств того, что современные подходы с использованием моделей in vitro наиболее перспективны для оценки межклеточных коммуникаций внутри НВЕ. Разработка сосудисто-нервных единиц на чипе или ГЭБ на чипе, а также 3D НВЕ и модели ткани мозга обеспечивают новые подходы к пониманию межклеточных взаимодействий, критических для функциональной активности мозга, поэтому они очень важны для трансляционных исследований, открытия лекарств и создания новых аналитических платформ. Одним из механизмов, который контролируется активностью НВЕ, является нейрогенез в узкоспециализированных областях мозга (нейрогенные ниши, НН), которые служат источником для поддержания пула стволовых/ прогениторных клеток, пролиферации, дифференциации и миграции новообразованных нейронов и глиальных клеток. Специфические свойства эндотелиальных клеток микрососудов головного мозга, в частности высокое содержание митохондрий, важны для создания сосудистой поддержки при НВЕ и НН. Метаболическая активность клеток внутри НН и НВЕ способствует поддержанию межклеточных коммуникаций, критически важных для целостности многоклеточного модуля. В работе обсуждаются современные подходы к разработке оптимальной микросреды для in vitro моделей ГЭБ, НВЕ и НН. Особое внимание уделено перспективам нейроинженерии и биопечати