用于血腦屏障損傷的微流控3D體外血腦屏障模型研究

研究人員創(chuàng)建了一種新的血腦屏障模型，可以模擬液體進(jìn)出大腦的過程。

血腦屏障（Blood-brain-barrier，BBB）破壞與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)，而體外血腦屏障模型能夠研究血腦屏障對(duì)外部損傷事件的反應(yīng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究人員提出了一種基于人體細(xì)胞的血腦屏障平臺(tái)，該平臺(tái)具有集成的透明電極，可實(shí)時(shí)、高分辨率地監(jiān)測血腦屏障的致密性。

該血腦屏障模型由人腦內(nèi)皮細(xì)胞、原代周細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞在一個(gè)無泵、開放的微流控平臺(tái)中以3D方式排列。相關(guān)研究成果以“3D In Vitro Blood-Brain-Barrier Model for Investigating Barrier Insults”為題，發(fā)表于Advanced Science期刊。

為了更好地了解血腦屏障如何保護(hù)我們的中樞神經(jīng)系統(tǒng)免受血液中有害物質(zhì)的侵害，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究人員開發(fā)了一種新的微流控體外模型 Mario Modena是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物工程實(shí)驗(yàn)室的一名博士后。

如果他要向一個(gè)11歲的孩子解釋他關(guān)于血腦屏障（這是一堵保護(hù)我們的中樞神經(jīng)系統(tǒng)不受血液中有害物質(zhì)侵害的墻）的研究，他會(huì)說：“這堵墻很重要，因?yàn)樗梢宰柚埂畨募一铩M(jìn)入大腦。如果大腦受損或生病，墻上就會(huì)出現(xiàn)洞。但有時(shí)，這些洞實(shí)際上是有用處的，例如，為大腦提供急需的藥物。所以我們?cè)噲D了解的是如何維護(hù)這堵墻，以及如何在破壞它之后再次修復(fù)它。”

從醫(yī)學(xué)角度來看，這堵墻也很重要，因?yàn)橹袠猩窠?jīng)系統(tǒng)的許多疾病都與血腦屏障的損傷有關(guān)。為了發(fā)現(xiàn)這種屏障是如何工作的，科學(xué)家們經(jīng)常在活體動(dòng)物身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 然而，這類實(shí)驗(yàn)通常較為昂貴，并且動(dòng)物細(xì)胞可能只能提供人體活動(dòng)的部分情況。此外，還有一些批評(píng)者質(zhì)疑動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的基本有效性。而另一種選擇是在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人類細(xì)胞上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

細(xì)胞與細(xì)胞間的通信被忽視了

許多體外模型的問題在于，它們使用血管壁細(xì)胞（內(nèi)皮細(xì)胞）以一種相對(duì)簡單的方式重建血腦屏障。這種方法不能代表人類系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而且忽視了各種細(xì)胞類型之間的通信等問題。此外，許多模型都是靜態(tài)的。換句話說，細(xì)胞漂浮在不移動(dòng)的懸浮液中，這意味著忽略了流體流動(dòng)或細(xì)胞在體內(nèi)所受剪切應(yīng)力的影響。

當(dāng)然，也有一些研究設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)體外模型來模擬體內(nèi)的流動(dòng)條件，但此類模型存在的問題是其所需的泵使實(shí)驗(yàn)裝置相當(dāng)復(fù)雜。 除了所有這些挑戰(zhàn)，還存在測量的問題：在實(shí)時(shí)拍攝血腦屏障結(jié)構(gòu)變化的高分辨率圖像的同時(shí)測量屏障的電阻幾乎是不可能的。而血腦屏障結(jié)構(gòu)和電阻都反映了屏障的致密性。

“一石多鳥”

如果將每一項(xiàng)挑戰(zhàn)都比作一只鳥的話，Modena研發(fā)的平臺(tái)將是諺語中描述的那塊可以殺死所有鳥的石頭。在Andreas Hierlemann的指導(dǎo)下，Modena和他的同事花了三年半的時(shí)間開發(fā)了這個(gè)開放型微流控3D血腦屏障模型。 為了重建屏障，研究小組選取了那些天然構(gòu)成血腦屏障的細(xì)胞類型——微血管內(nèi)皮細(xì)胞、人類星形膠質(zhì)細(xì)胞和人類周細(xì)胞，并將它們組合在一個(gè)平臺(tái)上。 Modena說：“這種策略使我們幾乎完全復(fù)制了人體中發(fā)現(xiàn)的3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)。但真正不同尋常的是，我們可以在測量屏障滲透性的同時(shí)通過高分辨率延時(shí)顯微鏡繪制屏障的形態(tài)變化?！?br />
為了促進(jìn)這一雙重作用，研究人員在屏障兩側(cè)的蓋玻片上沉積了完全透明的電極，并通過測量細(xì)胞屏障的電阻來反映其滲透性。與其它類型的電極（其中包括可能干擾光學(xué)檢測和高分辨率顯微鏡的金屬薄膜或金屬絲結(jié)構(gòu)）相比，該透明電極具有決定性的優(yōu)勢。

“不增加復(fù)雜性”

為了模擬流體在體內(nèi)流動(dòng)的方式，研究人員在一種蹺蹺板結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了兩端有流體儲(chǔ)層的微流控平臺(tái)。該平臺(tái)通過重力觸發(fā)流體流動(dòng)，進(jìn)而在細(xì)胞上產(chǎn)生剪切力。

左上圖顯示了血腦屏障的體內(nèi)模型；左下圖顯示了新的體外模型，該模型通過搖擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生流體流動(dòng)；右邊的照片是該體外模型的測試平臺(tái)

Hierlemann解釋了這種裝置的好處：“由于我們不使用任何泵，我們可以同時(shí)對(duì)多個(gè)模型系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（例如在培養(yǎng)箱中），而不會(huì)增加裝置的復(fù)雜性?！?/p>

制藥公司已對(duì)該模型表現(xiàn)出興趣

通過這項(xiàng)研究，Modena和他的同事們能夠做的不僅僅是展示新平臺(tái)在測量方面的潛力。他們還發(fā)現(xiàn)，屏障的電阻甚至在經(jīng)歷使其更具滲透性的形態(tài)變化之前就出現(xiàn)降低。Modena說：“這一發(fā)現(xiàn)可能與未來的研究有關(guān)。”

該研究小組還觀察到，在使用靜態(tài)體外模型的對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，屏障比在新的動(dòng)態(tài)裝置中更具滲透性。Modena說：“很明顯，由重力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力促進(jìn)了更致密的屏障層的形成，這證實(shí)了流動(dòng)對(duì)所提出的體外模型的重要性?！?/p>

Modena和Hierlemann相信，他們的模型將更容易檢測哪些分子穩(wěn)定了屏障，以及發(fā)現(xiàn)適合跨越屏障的化合物和方法，這將有助于腦腫瘤的治療。但Hierlemann指出，該模型也可能改變未來體外研究的進(jìn)程。

“我們平臺(tái)的優(yōu)勢在于，它很容易適應(yīng)其他內(nèi)皮細(xì)胞模型，其中屏障致密性測量和高分辨率顯微鏡的結(jié)合可以為新的研究鋪平道路?！?/p>

目前，工業(yè)界對(duì)這種新模型已表現(xiàn)出興趣。一家制藥公司已經(jīng)與研究人員取得了聯(lián)系。

審核編輯：劉清