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外部損傷事件的反應(yīng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，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胞的血腦屏障平臺，該平臺具有集成的透明電極，可實時、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)皮細胞、原代周細胞和星形膠質(zhì)細胞在一個無泵、開放的微流控平臺中以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)院生物工程實驗室的一名博士后。

如果他要向一個11歲的孩子解釋他關(guān)于血腦屏障（這是一堵保護我們的中樞神經(jīng)系統(tǒng)不受血液中有害物質(zhì)侵害的墻）的研究，他會說：“這堵墻很重要，因為它可以阻止‘壞家伙’進入大腦。如果大腦受損或生病，墻上就會出現(xiàn)洞。但有時，這些洞實際上是有用處的，例如，為大腦提供急需的藥物。所以我們試圖了解的是如何維護這堵墻，以及如何在破壞它之后再次修復(fù)它?！?br />
從醫(yī)學(xué)角度來看，這堵墻也很重要，因為中樞神經(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)常在活體動物身上進行實驗。 然而，這類實驗通常較為昂貴，并且動物細胞可能只能提供人體活動的部分情況。此外，還有一些批評者質(zhì)疑動物實驗的基本有效性。而另一種選擇是在實驗室培養(yǎng)的人類細胞上進行實驗。

細胞與細胞間的通信被忽視了

許多體外模型的問題在于，它們使用血管壁細胞（內(nèi)皮細胞）以一種相對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，細胞漂浮在不移動的懸浮液中，這意味著忽略了流體流動或細胞在體內(nèi)所受剪切應(yīng)力的影響。

當(dāng)然，也有一些研究設(shè)計了動態(tài)體外模型來模擬體內(nèi)的流動條件，但此類模型存在的問題是其所需的泵使實驗裝置相當(dāng)復(fù)雜。 除了所有這些挑戰(zhàn)，還存在測量的問題：在實時拍攝血腦屏障結(jié)構(gòu)變化的高分辨率圖像的同時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”

如果將每一項挑戰(zhàn)都比作一只鳥的話，Modena研發(fā)的平臺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間開發(fā)了這個開放型微流控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)成血腦屏障的細胞類型——微血管內(nèi)皮細胞、人類星形膠質(zhì)細胞和人類周細胞，并將它們組合在一個平臺上。 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通過高分辨率延時顯微鏡繪制屏障的形態(tài)變化?！?br />
為了促進這一雙重作用，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)流動的方式，研究人員在一種蹺蹺板結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了兩端有流體儲層的微流控平臺。該平臺通過重力觸發(fā)流體流動，進而在細胞上產(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，該模型通過搖擺運動產(chǎn)生流體流動；右邊的照片是該體外模型的測試平臺

Hierlemann解釋了這種裝置的好處：“由于我們不使用任何泵，我們可以同時對多個模型系統(tǒng)進行實驗（例如在培養(yǎng)箱中），而不會增加裝置的復(fù)雜性?！?/p>

制藥公司已對該模型表現(xiàn)出興趣

通過這項研究，Modena和他的同事們能夠做的不僅僅是展示新平臺在測量方面的潛力。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)?！?/p>

該研究小組還觀察到，在使用靜態(tài)體外模型的對照實驗中，屏障比在新的動態(tài)裝置中更具滲透性。Modena說：“很明顯，由重力驅(qū)動的流動產(chǎn)生的剪切力促進了更致密的屏障層的形成，這證實了流動對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程。

“我們平臺的優(yōu)勢在于，它很容易適應(yīng)其他內(nèi)皮細胞模型，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