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微流控血腦屏障芯片概述

血腦屏障（BBB）是一種選擇性屏障，保護(hù)大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS），維持穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。它由內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成，確保屏障的完整性。血腦屏障功能障礙與阿爾茨海默病和帕金森病等疾病相關(guān)，會(huì)使有害物質(zhì)進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。現(xiàn)在的血腦屏障模型通過開發(fā)靶向療法、識(shí)別潛在的神經(jīng)毒性外來物質(zhì)，能夠更好地研究這些疾病，這代表著神經(jīng)科學(xué)和藥理學(xué)領(lǐng)域向前邁出了重要一步^[1-2]。

傳統(tǒng)研究血腦屏障（BBB）的方法，如 Transwell 小室實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物模型，存在過度簡化、生理相關(guān)性差以及種屬差異等局限性。

微流控血腦屏障模型（μBBB）通過工程系統(tǒng)模擬體內(nèi)血腦屏障功能來解決這些問題。這些模型能夠精確控制環(huán)境，支持細(xì)胞共培養(yǎng)，施加剪切應(yīng)力，并復(fù)制人腦環(huán)境條件。微流控血腦屏障設(shè)備能夠進(jìn)行高分辨率成像、細(xì)胞內(nèi)監(jiān)測(cè)和細(xì)胞外反應(yīng)分析，使其成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究、治療篩選和神經(jīng)毒性測(cè)試的理想工具。它們?yōu)橥七M(jìn)血腦屏障研究提供了巨大潛力^[2]。

一個(gè)理想的體外血腦屏障（BBB）模型應(yīng)復(fù)制體內(nèi)血腦屏障的關(guān)鍵特征，包括：

l 內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）形成3D血管樣結(jié)構(gòu)

l 細(xì)胞間相互作用

l 流體流動(dòng)對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的剪切應(yīng)力

l 一層薄而多孔的基底膜（BM）

在體外模擬血腦屏障具有挑戰(zhàn)性的方面之一是準(zhǔn)確復(fù)制天然基底膜，它在細(xì)胞分化、體內(nèi)平衡、組織維持和結(jié)構(gòu)支持等過程中起著關(guān)鍵作用。理想情況下，人工基底膜應(yīng)使用生物相容性材料制造，厚度約為 100 納米。

1 微流控設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1 三明治設(shè)計(jì)層疊設(shè)計(jì)

這種微流控血腦屏障設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是上下兩層聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道，中間由多孔膜分隔。通常使用孔徑范圍在 0.2 到 3 微米的聚碳酸酯膜，類似于 Transwell 系統(tǒng)。內(nèi)皮細(xì)胞通常接種在上層通道，而周細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞或其他腦細(xì)胞則在下層通道培養(yǎng)。

其他透明膜，如聚四氟乙烯，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率成像以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物分子運(yùn)輸和細(xì)胞生長。此外，顛倒細(xì)胞接種配置，即在下層通道的三維血管樣結(jié)構(gòu)中培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞（ECs），同時(shí)在上層通道接種周細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，可增強(qiáng)對(duì)細(xì)胞間相互作用的觀察。

圖1 芯片上血腦屏障三明治設(shè)計(jì)圖示。（A）芯片的分解圖，包括頂部和底部部分，

各包含八個(gè)通道，由多孔 PDMS 膜分隔。（B）兩層設(shè)備設(shè)計(jì)的示意圖，

特點(diǎn)是兩個(gè)相同的 PDMS 部件，一個(gè)倒置并與另一個(gè)粘合。（C）展示在兩層設(shè)備中生成八種不同條件^[2]

1.2 平行設(shè)計(jì)

兩個(gè)水平排列的通道由 PDMS 微通道陣列分隔，用基于 PDMS 的微柱 “膜”（3 微米間隙）取代了傳統(tǒng)的聚碳酸酯膜^[3]。這種設(shè)計(jì)能夠與星形膠質(zhì)細(xì)胞或腦腫瘤細(xì)胞共培養(yǎng)，并且通過無需額外的化學(xué)修飾簡化了組裝過程。平面布局改善了細(xì)胞間相互作用和成像效果。

該設(shè)備的特點(diǎn)是有一個(gè)組織隔室，兩側(cè)是兩個(gè)帶有流體進(jìn)入口的血管通道，組裝在顯微鏡載玻片上，配有用于進(jìn)入通道的塑料管。

圖2 芯片上血腦屏障的圖像。A. 示意圖顯示設(shè)備中心的組織隔室，

周圍環(huán)繞著兩個(gè)獨(dú)立的血管通道，帶有流體進(jìn)入開口。B. 該設(shè)計(jì)中細(xì)胞培養(yǎng)的示意圖。

C. 設(shè)備組裝在顯微鏡載玻片上，配有塑料管（深藍(lán)色），可進(jìn)入各個(gè)血管通道和組織隔室^[3]。

1.3 三維管狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)PDMS μBBB模型采用矩形微通道，導(dǎo)致流動(dòng)不均、剪切力不均勻，影響內(nèi)皮細(xì)胞行為。為改善此問題，一些模型采用圓柱形微通道以均勻剪切力，如基于3D膠原蛋白的微血管管道（直徑75-150 μm），通過流體流速精確控制管徑，并集成至μBBB設(shè)備中。

圖3 腦微血管系統(tǒng)圖示^[4]

2 血腦屏障芯片實(shí)驗(yàn)裝置

芯片上集成的血腦屏障實(shí)驗(yàn)裝置：

1. OB1 流量控制器

2. 歧管

3. MUX 再循環(huán)閥

4. MUX 分配閥

5. MUX 導(dǎo)線

6. 三通 / 兩通閥

7. 微流控流量傳感器

8. 接頭、管道和魯爾接頭

9. 儲(chǔ)液槽

10. 用于血腦屏障芯片模型的微流控芯片

11. 微流控軟件

2.1 點(diǎn)成Elveflow設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

1. OB1 壓力控制器

l 精確的流體流量控制：OB1 采用壓電調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的壓力調(diào)節(jié)。這種精確性確保微流控環(huán)境能夠緊密模擬生理?xiàng)l件，這對(duì)于準(zhǔn)確復(fù)制血腦屏障的動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要。

l 動(dòng)態(tài)灌注能力：在芯片上的血腦屏障裝置中，維持適當(dāng)?shù)募羟袘?yīng)力對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞功能至關(guān)重要。OB1 允許控制流體流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)灌注，模擬體內(nèi)血流條件，從而增強(qiáng)模型的生理相關(guān)性。

2. MUX 分配閥

l 自動(dòng)順序注射：該閥門允許將各種試劑、藥物或培養(yǎng)基按程序輸送到血腦屏障芯片中。這種自動(dòng)化對(duì)于進(jìn)行緊密模擬體內(nèi)條件的動(dòng)態(tài)灌注實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，增強(qiáng)了模型的生理相關(guān)性。

3. MUX 再循環(huán)閥

l 模擬生理流動(dòng)條件：MUX 再循環(huán)裝置允許對(duì)流體進(jìn)行精確、可編程的再循環(huán)，這對(duì)于復(fù)制血腦屏障中內(nèi)皮細(xì)胞所經(jīng)歷的剪切應(yīng)力和流體動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。

l 受控再循環(huán)確保現(xiàn)實(shí)的血流模式：這對(duì)于維持內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)和功能至關(guān)重要。

l 藥物測(cè)試和毒性篩選：以可控的方式引入藥物或納米顆粒，并使其再循環(huán)，以研究它們隨時(shí)間與血腦屏障的相互作用。

l 動(dòng)態(tài)共培養(yǎng)系統(tǒng)：它確保持續(xù)灌注，這對(duì)于細(xì)胞活力和維持緊密連接至關(guān)重要。

l 降低污染風(fēng)險(xiǎn)：閉環(huán)再循環(huán)大限度地降低了污染風(fēng)險(xiǎn)，這是開放灌注系統(tǒng)中常見的挑戰(zhàn)。

3  應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 神經(jīng)系統(tǒng)疾病建模

l 腦腫瘤：血腦屏障（BBB）模型用于研究血管膠質(zhì)瘤起始細(xì)胞（腦腫瘤侵襲的關(guān)鍵因素）在其環(huán)境中的相互作用。此外，使用體外血腦屏障系統(tǒng)能夠更清楚地了解腦腫瘤轉(zhuǎn)移的機(jī)制。通過將患者來源的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤球體整合到微流控系統(tǒng)中，這些模型為篩選具有強(qiáng)大腫瘤殺傷能力的藥物提供了高效平臺(tái)。

l 神經(jīng)功能障礙疾病：神經(jīng)疾病病變中的炎癥反應(yīng)是由免疫細(xì)胞（包括中性粒細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞）的聚集和遷移引起的。在神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型（如阿爾茨海默病）中，神經(jīng)炎癥是由小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活驅(qū)動(dòng)的。激活的免疫細(xì)胞釋放炎癥細(xì)胞因子，包括腫瘤壞死因子（TNF）-α 和白細(xì)胞介素（IL）-1。在這個(gè)反應(yīng)過程中，細(xì)胞因子和免疫細(xì)胞會(huì)破壞血腦屏障（BBB），常常導(dǎo)致血液滲入大腦，進(jìn)而造成不可逆的腦組織損傷。

3.2 神經(jīng)生物學(xué)研究

在微流控平臺(tái)內(nèi)控制神經(jīng)元細(xì)胞周圍的微環(huán)境，包括細(xì)胞間以及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）之間的相互作用，能夠?yàn)樯窠?jīng)干細(xì)胞分化為神經(jīng)系統(tǒng)的組成部分創(chuàng)造一個(gè)類似體內(nèi)的微環(huán)境。

通過將微流控技術(shù)與神經(jīng)生物學(xué)相結(jié)合，可以解決該領(lǐng)域的一些技術(shù)挑戰(zhàn)，例如培養(yǎng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）神經(jīng)元、分離軸突、對(duì)培養(yǎng)的神經(jīng)元進(jìn)行圖案化、引導(dǎo)神經(jīng)突生長以模擬軸突損傷，以及研究軸突內(nèi)的局部蛋白質(zhì)合成、軸突再生和軸突運(yùn)輸?shù)冗^程。

3.3 體外藥物開發(fā)

芯片上血腦屏障系統(tǒng)為在動(dòng)態(tài)和生理相關(guān)條件下評(píng)估藥物穿過血腦屏障的滲透性提供了平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)體外模型的局限性。它們能夠評(píng)估載藥納米顆粒，包括受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用以及針對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)靶向遞送的納米載體優(yōu)化。通過復(fù)制血腦屏障的細(xì)胞復(fù)雜性，這些模型有助于在疾病特定條件下測(cè)試神經(jīng)保護(hù)劑和抗體。集成傳感器能夠深入了解藥物毒性、神經(jīng)元活動(dòng)和突觸行為。使用患者來源的細(xì)胞，它們支持個(gè)性化藥物篩選和針對(duì)特定疾病的研究^[4]。

3.4 芯片上的腦軸研究

多器官芯片為研究在疾病和藥物開發(fā)背景下大腦與其他器官之間的相互作用提供了平臺(tái)。它們能夠研究復(fù)雜的病癥，如肺癌腦轉(zhuǎn)移，在其中可以復(fù)制并詳細(xì)研究動(dòng)態(tài)過程。這些芯片還有助于揭示微生物群 - 腸道 - 腦軸中的通信途徑，闡明腸道健康如何影響神經(jīng)系統(tǒng)疾病。通過模擬相互連接的器官系統(tǒng)，如肝性腦病中的肝 - 腦軸或通過腦 - 脾軸的免疫調(diào)節(jié)，多器官芯片提供了一種綜合方法來理解全身性疾病。它們模擬動(dòng)態(tài)生理環(huán)境的能力促進(jìn)了在器官間通信和治療開發(fā)方面的開創(chuàng)性研究。

參考文獻(xiàn)

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