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In a recent study, we showed in an in vitro murine cerebellar microvascular endothelial cell (cerebEND) model as well as in vivo in rats that Tumor-Treating Fields (TTFields) reversibly open the blood–brain barrier (BBB). This process is facilitated by delocalizing tight junction proteins such as claudin-5 from the membrane to the cytoplasm. In investigating the possibility that the same effects could be observed in human-derived cells, a 3D co-culture model of the BBB was established consisting of primary microvascular brain endothelial cells (HBMVEC) and immortalized pericytes, both of human origin. The TTFields at a frequency of 100 kHz administered for 72 h increased the permeability of our human-derived BBB model. The integrity of the BBB had already recovered 48 h post-TTFields, which is earlier than that observed in cerebEND. The data presented herein validate the previously observed effects of TTFields in murine models. Moreover, due to the fact that human cell-based in vitro models more closely resemble patient-derived entities, our findings are highly relevant for pre-clinical studies.
TTFields sind eine zugelassene Therapie für die Behandlung von Glioblastom IDH-Wildtyp. Es handelt sich dabei um elektrische Wechselfelder niedriger Intensität und mittlerer Frequenz, die therapeutisch aus zwei Richtungen durch ein tragbares, nicht-invasives Gerät appliziert werden. Sie verhindern die Spindelfaserbildung während der Mitose.
Die Wirkung vieler effektiver Chemotherapeutika ist im ZNS durch die Blut-Hirn-Schranke (BHS) eingeschränkt. Die BHS wird nach TTFields Applikation bei 100 kHz in einem murinen cerebEND-Zell-Modell vorübergehend geöffnet. Dieser Effekt wurde in dieser Arbeit zunächst mit Hilfe von Immunfluoreszenzmikroskopie und dann durch einen fraktionierten Western-Blot bestätigt, dass der mutmaßliche Wirkungsmechanismus von TTFields in der Delokalisierung des tight junction Proteins Claudin-5 von der Membran in das Zytoplasma liegt. TEER-Messungen zeigten, dass sich die Integrität der BHS durch 100 kHz TTFields nach 72 h verringerte und 48 h - 72 h nach Ende der Behandlung wieder normalisierte, auch wenn statt eines Behandlungsendes auf 200 kHz TTFields umgeschaltet wurde. Der zweite Teil der Untersuchung bestand darin, ein BHS-Modell aus humanen HBMVEC Zellen zu etablieren, um die Auswirkungen von TTFields im humanen System verifizieren zu können. Zunächst konnten keine Effekte von TTFields unterschiedlicher Frequenz auf eine HBMVEC-Monokultur festgestellt werden. In einer Kokultur mit Perizyten gab es eine erhöhte Expression von Claudin-5, Occludin und PECAM-1. Allerdings zeigten die TEER-Messungen und ein Permeabilitätsassay keine Unterschiede zwischen den Mono- und Kokultur-Modellen der BHS auf.
Durch eine transiente Öffnung der BHS könnte eine höhere Dosis von Therapeutika, die normalerweise die BHS nicht überwinden können, im ZNS erreicht werden. Damit könnten TTFields eine innovative Methode zur Behandlung von Hirntumoren und anderen Erkrankungen des ZNS darstellen. Die hier präsentierten Daten geben erste Hinweise in diese Richtung, müssen aber noch optimiert und verifiziert werden.
Traumatic brain injury (TBI) induces a strong inflammatory response which includes blood-brain barrier damage, edema formation and infiltration of different immune cell subsets. More recently, microvascular thrombosis has been identified as another pathophysiological feature of TBI. The contact-kinin system represents an interface between inflammatory and thrombotic circuits and is activated in different neurological diseases. C1-Inhibitor counteracts activation of the contact-kinin system at multiple levels. We investigated the therapeutic potential of C1-Inhibitor in a model of TBI. Male and female C57BL/6 mice were subjected to cortical cryolesion and treated with C1-Inhibitor after 1 h. Lesion volumes were assessed between day 1 and day 5 and blood-brain barrier damage, thrombus formation as well as the local inflammatory response were determined post TBI. Treatment of male mice with 15.0 IU C1-Inhibitor, but not 7.5 IU, 1 h after cryolesion reduced lesion volumes by ~75% on day 1. This protective effect was preserved in female mice and at later stages of trauma. Mechanistically, C1-Inhibitor stabilized the blood-brain barrier and decreased the invasion of immune cells into the brain parenchyma. Moreover, C1-Inhibitor had strong antithrombotic effects. C1-Inhibitor represents a multifaceted anti-inflammatory and antithrombotic compound that prevents traumatic neurodegeneration in clinically meaningful settings.