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)皮細胞、周細胞、神經(jīng)膠質細胞和細胞外基質組成，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，會使有害物質進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。現(xiàn)在的血腦屏障模型通過開發(fā)靶向療法、識別潛在的神經(jīng)毒性外來物質，能夠更好地研究這些疾病，這代表著神經(jīng)科學和藥理學領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 小室實驗和動物模型，存在過度簡化、生理相關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，支持細胞共培養(yǎng)，施加剪切應力，并復制人腦環(huán)境條件。微流控血腦屏障設備能夠進行高分辨率成像、細胞內(nèi)監(jiān)測和細胞外反應分析，使其成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究、治療篩選和神經(jīng)毒性測試的理想工具。它們?yōu)橥七M血腦屏障研究提供了巨大潛力^[2]。

一個理想的體外血腦屏障（BBB）模型應復制體內(nèi)血腦屏障的關鍵特征，包括：

l 內(nèi)皮細胞（ECs）形成3D血管樣結構

l 細胞間相互作用

l 流體流動對內(nèi)皮細胞產(chǎn)生的剪切應力

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)性的方面之一是準確復制天然基底膜，它在細胞分化、體內(nèi)平衡、組織維持和結構支持等過程中起著關鍵作用。理想情況下，人工基底膜應使用生物相容性材料制造，厚度約為 100 納米。

1 微流控設備設計

1.1 三明治設計層疊設計

這種微流控血腦屏障設計的特點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)皮細胞通常接種在上層通道，而周細胞、星形膠質細胞或其他腦細胞則在下層通道培養(yǎng)。

其他透明膜，如聚四氟乙烯，能夠實現(xiàn)高分辨率成像以及實時監(jiān)測生物分子運輸和細胞生長。此外，顛倒細胞接種配置，即在下層通道的三維血管樣結構中培養(yǎng)內(nèi)皮細胞（ECs），同時在上層通道接種周細胞和星形膠質細胞，可增強對細胞間相互作用的觀察。

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

各包含八個通道，由多孔 PDMS 膜分隔。（B）兩層設備設計的示意圖，

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

1.2 平行設計

兩個水平排列的通道由 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]。這種設計能夠與星形膠質細胞或腦腫瘤細胞共培養(yǎng)，并且通過無需額外的化學修飾簡化了組裝過程。平面布局改善了細胞間相互作用和成像效果。

該設備的特點是有一個組織隔室，兩側是兩個帶有流體進入口的血管通道，組裝在顯微鏡載玻片上，配有用于進入通道的塑料管。

圖2 芯片上血腦屏障的圖像。A. 示意圖顯示設備中心的組織隔室，

周圍環(huán)繞著兩個獨立的血管通道，帶有流體進入開口。B. 該設計中細胞培養(yǎng)的示意圖。

C. 設備組裝在顯微鏡載玻片上，配有塑料管（深藍色），可進入各個血管通道和組織隔室^[3]。

1.3 三維管狀結構設計

傳統(tǒng)PDMS μBBB模型采用矩形微通道，導致流動不均、剪切力不均勻，影響內(nèi)皮細胞行為。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設備中。

圖3 腦微血管系統(tǒng)圖示^[4]

2 血腦屏障芯片實驗裝置

芯片上集成的血腦屏障實驗裝置：

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 點成Elveflow設備的優(yōu)勢

1. OB1 壓力控制器

l 精確的流體流量控制：OB1 采用壓電調節(jié)器，可實現(xiàn)快速穩(wěn)定的壓力調節(jié)。這種精確性確保微流控環(huán)境能夠緊密模擬生理條件，這對于準確復制血腦屏障的動態(tài)特性至關重要。

l 動態(tài)灌注能力：在芯片上的血腦屏障裝置中，維持適當?shù)募羟袘?nèi)皮細胞功能至關重要。OB1 允許控制流體流動，實現(xiàn)動態(tài)灌注，模擬體內(nèi)血流條件，從而增強模型的生理相關性。

2. MUX 分配閥

l 自動順序注射：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。這種自動化對于進行緊密模擬體內(nèi)條件的動態(tài)灌注實驗至關重要，增強了模型的生理相關性。

3. MUX 再循環(huán)閥

l 模擬生理流動條件：MUX 再循環(huán)裝置允許對流體進行精確、可編程的再循環(huán)，這對于復制血腦屏障中內(nèi)皮細胞所經(jīng)歷的剪切應力和流體動力學至關重要。

l 受控再循環(huán)確保現(xiàn)實的血流模式：這對于維持內(nèi)皮細胞的形態(tài)和功能至關重要。

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

l 動態(tài)共培養(yǎng)系統(tǒng)：它確保持續(xù)灌注，這對于細胞活力和維持緊密連接至關重要。

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

3  應用領域

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瘤起始細胞（腦腫瘤侵襲的關鍵因素）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移的機制。通過將患者來源的膠質母細胞瘤球體整合到微流控系統(tǒng)中，這些模型為篩選具有*腫瘤殺傷能力的藥物提供了高效平臺。

l 神經(jīng)功能障礙疾病：神經(jīng)疾病病變中的炎癥反應是由免疫細胞（包括中性粒細胞、神經(jīng)膠質細胞和星形膠質細胞）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)炎癥是由小膠質細胞和星形膠質細胞的激活驅動的。激活的免疫細胞釋放炎癥細胞因子，包括腫瘤壞死因子（TNF）-α 和白細胞介素（IL）-1。在這個反應過程中，細胞因子和免疫細胞會破壞血腦屏障（BBB），常常導致血液滲入大腦，進而造成不可逆的腦組織損傷。

3.2 神經(jīng)生物學研究

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

通過將微流控技術與神經(jīng)生物學相結合，可以解決該領域的一些技術挑戰(zhàn)，例如培養(yǎng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）神經(jīng)元、分離軸突、對培養(yǎng)的神經(jīng)元進行圖案化、引導神經(jīng)突生長以模擬軸突損傷，以及研究軸突內(nèi)的局部蛋白質合成、軸突再生和軸突運輸?shù)冗^程。

3.3 體外藥物開發(fā)

芯片上血腦屏障系統(tǒng)為在動態(tài)和生理相關條件下評估藥物穿過血腦屏障的滲透性提供了平臺，解決了傳統(tǒng)體外模型的局限性。它們能夠評估載藥納米顆粒，包括受體介導的轉胞吞作用以及針對中樞神經(jīng)系統(tǒng)靶向遞送的納米載體優(yōu)化。通過復制血腦屏障的細胞復雜性，這些模型有助于在疾病特定條件下測試神經(jīng)保護劑和抗體。集成傳感器能夠深入了解藥物毒性、神經(jīng)元活動和突觸行為。使用患者來源的細胞，它們支持個性化藥物篩選和針對特定疾病的研究^[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。它們能夠研究復雜的病癥，如肺癌腦轉移，在其中可以復制并詳細研究動態(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。它們模擬動態(tài)生理環(huán)境的能力促進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

1. X. Chen ; C. Liu ; L. Muok ; C. Zeng and Y. Li, Dynamic 3D On-Chip BBB Model Design, Development, and Applications in Neurological Diseases, Cells, 2021

2. M. Zakharova ; M. A. Palma do Carmo ; M. W. van der Helm ; H. Le-The ; M. N. S. de Graaf ; V. Orlova ; A. van den Berg ; A. D. van der Meer ; K. Broersen and L. I. Segerink, Multiplexed blood–brain barrier organ-on-chip, Lab on a Chip, 2020.

3. S. P. Deosarkar ; B. Prabhakarpandian ; B. Wang ; J. B. Sheffield ; B. Krynska and M. F. Kiani, A Novel Dynamic Neonatal Blood-Brain Barrier on a Chip, PlosOne, 2015

4. J.A. Kim ; H.N. Kim ; S-K. Im ; S. Chung ; J.Y. Kang and N.Choi, Collagen-based brain microvasculature model in vitro using three-dimensional printed template, Biomicrofluidics, 2015

5. X. Wang ; Y. Hou ; X. Ai ; J. Sun ; B. Xu ; X. Meng ; Y. Zhang and S. Zhang, Potential applications of microfluidics based blood brain barrier (BBB)-on-chips for in vitro drug development, Biomedicine & Pharmacotherapy, 2020