用于藥物滲透性篩選的血腦屏障器官芯片模型

血腦屏障（BBB）是指調(diào)節(jié)血液和大腦之間分子交換的物理和代謝屏障，主要由高度特化的內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的足部組成。對(duì)于大多數(shù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾?。òX癌、中風(fēng)、自閉癥和阿爾茨海默?。┑闹委?，藥物的療效往往有限，這是由于藥物通過(guò)血腦屏障的穿透力差。

不幸的是，動(dòng)物模型通常在屏障緊密性、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)和代謝活性方面表現(xiàn)出物種差異。因此，動(dòng)物模型的預(yù)測(cè)結(jié)果不能直接外推到人類(lèi)身上。此外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，藥物的高通量篩選和機(jī)制研究很難在動(dòng)物模型上進(jìn)行。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)替代模型來(lái)更好地預(yù)測(cè)血腦屏障的藥物滲透性，促進(jìn)神經(jīng)治療的發(fā)展。

最常用的體外血腦屏障模型是在Transwell上培養(yǎng)一層腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞（BMECs）。然而，Transwell的這種靜態(tài)培養(yǎng)缺乏機(jī)械力，保持了較大的液細(xì)胞體積比，導(dǎo)致細(xì)胞環(huán)境中的信號(hào)不穩(wěn)定和不可控。此外，流體剪切應(yīng)力作用于BMECs，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、屏障功能、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)和藥物滲透性有顯著影響。與基于Transwell的體外血腦屏障模型相反，器官芯片（Organ-on-a-chip，OOC）技術(shù)是一種構(gòu)建血腦屏障模型的動(dòng)態(tài)培養(yǎng)平臺(tái)，具有可控的生化和生物力學(xué)微環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。

近日，北京大學(xué)艾曉妮、屠鵬飛團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)高通量恒速率灌注陣列芯片（cPAC），并基于該芯片構(gòu)建了用于藥物滲透性篩選的血腦屏障器官芯片模型。該成果以“Constant-rate perfused array chip for high-throughput screening of drug permeability through brain endothelium”為題，發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)期刊Lab on a Chip上，并入選為期刊的封底文章。

恒速率灌注陣列芯片（cPAC）的照片和原理圖

研究結(jié)果表明，該恒速率灌注陣列芯片能通過(guò)重力作用實(shí)現(xiàn)恒流、高通量的灌注；同時(shí)兼容跨膜電阻儀，可實(shí)現(xiàn)屏障功能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

恒速率灌注陣列芯片（cPAC）上流體流速和剪切應(yīng)力的表征

與靜態(tài)Transwell培養(yǎng)的血腦屏障模型相比，高仿生血腦屏障器官芯片模型具有更強(qiáng)的屏障、轉(zhuǎn)運(yùn)外排和可逆滲透功能。

恒速率灌注陣列芯片（cPAC）和Transwell培養(yǎng)的腦內(nèi)皮細(xì)胞模型屏障功能的比較

此外，研究結(jié)果表明，不同藥物在血腦屏障器官芯片模型上的透腦能力（Papp）與體內(nèi)具有極高的一致性，相關(guān)系數(shù)R2大于0.99。

體外模型與體內(nèi)模型藥物透腦能力的相關(guān)性

在此基礎(chǔ)上，研究人員構(gòu)建了血腦屏障-腫瘤串聯(lián)器官芯片模型，可以同時(shí)評(píng)價(jià)藥物的透腦能力和抗腦腫瘤藥效，對(duì)TKI抑制劑治療肺癌腦轉(zhuǎn)移的預(yù)測(cè)結(jié)果與體內(nèi)模型高度一致。

同時(shí)評(píng)價(jià)模型藥物對(duì)人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞（hBMECs）的透過(guò)性、抗膠質(zhì)瘤療效和細(xì)胞毒性

綜上所述，該研究開(kāi)發(fā)的恒速率灌注陣列芯片和血腦屏障模型為創(chuàng)新藥物的透腦能力評(píng)價(jià)和機(jī)制研究提供創(chuàng)新技術(shù)平臺(tái)，有望加速中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物研發(fā)，目前已在北京大橡科技有限公司應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

審核編輯：劉清