用于血脑屏障损伤的微流控3D体外血脑屏障模型研究

研究人员创建了一种新的血脑屏障模型，可以模拟液体进出大脑的过程。

血脑屏障（Blood-brain-barrier，BBB）破坏与多种中枢神经系统疾病有关，而体外血脑屏障模型能够研究血脑屏障对外部损伤事件的反应。

据麦姆斯咨询报道，近期，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员提出了一种基于人体细胞的血脑屏障平台，该平台具有集成的透明电极，可实时、高分辨率地监测血脑屏障的致密性。

该血脑屏障模型由人脑内皮细胞、原代周细胞和星形胶质细胞在一个无泵、开放的微流控平台中以3D方式排列。相关研究成果以“3D In Vitro Blood-Brain-Barrier Model for Investigating Barrier Insults”为题，发表于Advanced Science期刊。

为了更好地了解血脑屏障如何保护我们的中枢神经系统免受血液中有害物质的侵害，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发了一种新的微流控体外模型   Mario Modena是苏黎世联邦理工学院生物工程实验室的一名博士后。

如果他要向一个11岁的孩子解释他关于血脑屏障（这是一堵保护我们的中枢神经系统不受血液中有害物质侵害的墙）的研究，他会说：“这堵墙很重要，因为它可以阻止‘坏家伙’进入大脑。如果大脑受损或生病，墙上就会出现洞。但有时，这些洞实际上是有用处的，例如，为大脑提供急需的药物。所以我们试图了解的是如何维护这堵墙，以及如何在破坏它之后再次修复它。”

从医学角度来看，这堵墙也很重要，因为中枢神经系统的许多疾病都与血脑屏障的损伤有关。为了发现这种屏障是如何工作的，科学家们经常在活体动物身上进行实验。 然而，这类实验通常较为昂贵，并且动物细胞可能只能提供人体活动的部分情况。此外，还有一些批评者质疑动物实验的基本有效性。而另一种选择是在实验室培养的人类细胞上进行实验。

细胞与细胞间的通信被忽视了

许多体外模型的问题在于，它们使用血管壁细胞（内皮细胞）以一种相对简单的方式重建血脑屏障。这种方法不能代表人类系统的复杂结构，而且忽视了各种细胞类型之间的通信等问题。此外，许多模型都是静态的。换句话说，细胞漂浮在不移动的悬浮液中，这意味着忽略了流体流动或细胞在体内所受剪切应力的影响。

当然，也有一些研究设计了动态体外模型来模拟体内的流动条件，但此类模型存在的问题是其所需的泵使实验装置相当复杂。 除了所有这些挑战，还存在测量的问题：在实时拍摄血脑屏障结构变化的高分辨率图像的同时测量屏障的电阻几乎是不可能的。而血脑屏障结构和电阻都反映了屏障的致密性。

“一石多鸟”

如果将每一项挑战都比作一只鸟的话，Modena研发的平台将是谚语中描述的那块可以杀死所有鸟的石头。在Andreas Hierlemann的指导下，Modena和他的同事花了三年半的时间开发了这个开放型微流控3D血脑屏障模型。 为了重建屏障，研究小组选取了那些天然构成血脑屏障的细胞类型——微血管内皮细胞、人类星形胶质细胞和人类周细胞，并将它们组合在一个平台上。 Modena说：“这种策略使我们几乎完全复制了人体中发现的3D细胞结构。但真正不同寻常的是，我们可以在测量屏障渗透性的同时通过高分辨率延时显微镜绘制屏障的形态变化。”

为了促进这一双重作用，研究人员在屏障两侧的盖玻片上沉积了完全透明的电极，并通过测量细胞屏障的电阻来反映其渗透性。与其它类型的电极（其中包括可能干扰光学检测和高分辨率显微镜的金属薄膜或金属丝结构）相比，该透明电极具有决定性的优势。

“不增加复杂性”

为了模拟流体在体内流动的方式，研究人员在一种跷跷板结构上实现了两端有流体储层的微流控平台。该平台通过重力触发流体流动，进而在细胞上产生剪切力。

左上图显示了血脑屏障的体内模型；左下图显示了新的体外模型，该模型通过摇摆运动产生流体流动；右边的照片是该体外模型的测试平台

Hierlemann解释了这种装置的好处：“由于我们不使用任何泵，我们可以同时对多个模型系统进行实验（例如在培养箱中），而不会增加装置的复杂性。”

制药公司已对该模型表现出兴趣

通过这项研究，Modena和他的同事们能够做的不仅仅是展示新平台在测量方面的潜力。他们还发现，屏障的电阻甚至在经历使其更具渗透性的形态变化之前就出现降低。Modena说：“这一发现可能与未来的研究有关。”

该研究小组还观察到，在使用静态体外模型的对照实验中，屏障比在新的动态装置中更具渗透性。Modena说：“很明显，由重力驱动的流动产生的剪切力促进了更致密的屏障层的形成，这证实了流动对所提出的体外模型的重要性。”

Modena和Hierlemann相信，他们的模型将更容易检测哪些分子稳定了屏障，以及发现适合跨越屏障的化合物和方法，这将有助于脑肿瘤的治疗。但Hierlemann指出，该模型也可能改变未来体外研究的进程。

“我们平台的优势在于，它很容易适应其他内皮细胞模型，其中屏障致密性测量和高分辨率显微镜的结合可以为新的研究铺平道路。”

目前，工业界对这种新模型已表现出兴趣。一家制药公司已经与研究人员取得了联系。

审核编辑：刘清