微流控血脑屏障芯片概述

 

血脑屏障（BBB）是一种选择性屏障，保护大脑和中枢神经系统（CNS），维持稳定的内环境。它由内皮细胞、周细胞、神经胶质细胞和细胞外基质组成，确保屏障的完整性。血脑屏障功能障碍与阿尔茨海默病和帕金森病等疾病相关，会使有害物质进入中枢神经系统。现在大部分血脑屏障模型通过开发靶向疗法、识别潜在的神经毒性外来物质，能够更好地研究这些疾病，这代表着神经科学和药理学领域向前迈出了重要一步[1-2]。

传统研究血脑屏障（BBB）的方法，如 Transwell 小室实验和动物模型，存在过度简化、生理相关性差以及种属差异等局限性。

微流控血脑屏障模型（μBBB）通过工程系统模拟体内血脑屏障功能来解决这些问题。这些模型能够精确控制环境，支持细胞共培养，施加剪切应力，并复制人脑环境条件。微流控血脑屏障设备能够进行高分辨率成像、细胞内监测和细胞外反应分析，使其成为中枢神经系统疾病研究、治疗筛选和神经毒性测试的理想工具。它们为推进血脑屏障研究提供了巨大潜力[2]。

一个理想的体外血脑屏障（BBB）模型应复制体内血脑屏障的关键特征，包括：

l       内皮细胞（ECs）形成3D血管样结构

l       细胞间相互作用

l       流体流动对内皮细胞产生的剪切应力

l       一层薄而多孔的基底膜（BM）

在体外模拟血脑屏障有挑战性的方面之一是准确复制天然基底膜，它在细胞分化、体内平衡、组织维持和结构支持等过程中起着关键作用。理想情况下，人工基底膜应使用生物相容性材料制造，厚度约为 100 纳米。

1 微流控设备设计

1.1 三明治设计层叠设计

这种微流控血脑屏障设计的特点是上下两层聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道，中间由多孔膜分隔。通常使用孔径范围在 0.2 到 3 微米的聚碳酸酯膜，类似于 Transwell 系统。内皮细胞通常接种在上层通道，而周细胞、星形胶质细胞或其他脑细胞则在下层通道培养。

其他透明膜，如聚四氟乙烯，能够实现高分辨率成像以及实时监测生物分子运输和细胞生长。此外，颠倒细胞接种配置，即在下层通道的三维血管样结构中培养内皮细胞（ECs），同时在上层通道接种周细胞和星形胶质细胞，可增强对细胞间相互作用的观察。

图1 芯片上血脑屏障三明治设计图示。（A）芯片的分解图，包括顶部和底部部分，

各包含八个通道，由多孔 PDMS 膜分隔。（B）两层设备设计的示意图，

特点是两个相同的 PDMS 部件，一个倒置并与另一个粘合。（C）展示在两层设备中生成八种不同条件[2]

1.2 平行设计

两个水平排列的通道由 PDMS 微通道阵列分隔，用基于 PDMS 的微柱 “膜"（3 微米间隙）取代了传统的聚碳酸酯膜[3]。这种设计能够与星形胶质细胞或脑肿瘤细胞共培养，并且通过无需额外的化学修饰简化了组装过程。平面布局改善了细胞间相互作用和成像效果。

该设备的特点是有一个中间组织隔室，两侧是两个带有流体进入口的血管通道，组装在显微镜载玻片上，配有用于进入通道的塑料管。

图2 芯片上血脑屏障的图像。A. 示意图显示设备中心的组织隔室，

周围环绕着两个独立的血管通道，带有流体进入开口。B. 该设计中细胞培养的示意图。

C. 设备组装在显微镜载玻片上，配有塑料管（深蓝色），可进入各个血管通道和组织隔室[3]。

1.3 三维管状结构设计

传统PDMS μBBB模型采用矩形微通道，导致流动不均、剪切力不均匀，影响内皮细胞行为。为改善此问题，一些模型采用圆柱形微通道以均匀剪切力，如基于3D胶原蛋白的微血管管道（直径75-150 μm），通过流体流速精确控制管径，并集成至μBBB设备中。

图3 脑微血管系统图示[4]

2 血脑屏障芯片实验装置

芯片上集成的血脑屏障实验装置：

1.       OB1 流量控制器

2.       歧管

3.       MUX 再循环阀

4.       MUX 分配阀

5.       MUX 导线

6.       三通 / 两通阀

7.       微流控流量传感器

8.       接头、管道和鲁尔接头

9.       储液槽

10.       用于血脑屏障芯片模型的微流控芯片

11.       微流控软件

2.1 点成Elveflow设备的优势

1. OB1 压力控制器

l       精确的流体流量控制：OB1 采用压电调节器，可实现快速稳定的压力调节。这种精确性确保微流控环境能够紧密模拟生理条件，这对于准确复制血脑屏障的动态特性至关重要。

l       动态灌注能力：在芯片上的血脑屏障装置中，维持适当的剪切应力对内皮细胞功能至关重要。OB1 允许控制流体流动，实现动态灌注，模拟体内血流条件，从而增强模型的生理相关性。

2.       MUX 分配阀

l       自动顺序注射：该阀门允许将各种试剂、药物或培养基按程序输送到血脑屏障芯片中。这种自动化对于进行紧密模拟体内条件的动态灌注实验至关重要，增强了模型的生理相关性。

3.       MUX 再循环阀

l       模拟生理流动条件：MUX 再循环装置允许对流体进行精确、可编程的再循环，这对于复制血脑屏障中内皮细胞所经历的剪切应力和流体动力学至关重要。

l       受控再循环确保现实的血流模式：这对于维持内皮细胞的形态和功能至关重要。

l       药物测试和毒性筛选：以可控的方式引入药物或纳米颗粒，并使其再循环，以研究它们随时间与血脑屏障的相互作用。

l       动态共培养系统：它确保持续灌注，这对于细胞活力和维持紧密连接至关重要。

l       降低污染风险：闭环再循环很大限度地降低了污染风险，这是开放灌注系统中常见的挑战。

3  应用领域

3.1 神经系统疾病建模

l       脑肿瘤：血脑屏障（BBB）模型用于研究血管胶质瘤起始细胞（脑肿瘤侵袭的关键因素）在其环境中的相互作用。此外，使用体外血脑屏障系统能够更清楚地了解脑肿瘤转移的机制。通过将患者来源的胶质母细胞瘤球体整合到微流控系统中，这些模型为筛选具有强大肿瘤杀伤能力的药物提供了高效平台。

l       神经功能障碍疾病：神经疾病病变中的炎症反应是由免疫细胞（包括中性粒细胞、神经胶质细胞和星形胶质细胞）的聚集和迁移引起的。在神经系统疾病模型（如阿尔茨海默病）中，神经炎症是由小胶质细胞和星形胶质细胞的激活驱动的。激活的免疫细胞释放炎症细胞因子，包括肿瘤坏死因子（TNF）-α 和白细胞介素（IL）-1。在这个反应过程中，细胞因子和免疫细胞会破坏血脑屏障（BBB），常常导致血液渗入大脑，进而造成不可逆的脑组织损伤。

3.2 神经生物学研究

在微流控平台内控制神经元细胞周围的微环境，包括细胞间以及细胞与细胞外基质（ECM）之间的相互作用，能够为神经干细胞分化为神经系统的组成部分创造一个类似体内的微环境。

通过将微流控技术与神经生物学相结合，可以解决该领域的一些技术挑战，例如培养中枢神经系统（CNS）神经元、分离轴突、对培养的神经元进行图案化、引导神经突生长以模拟轴突损伤，以及研究轴突内的局部蛋白质合成、轴突再生和轴突运输等过程。

3.3 体外药物开发

芯片上血脑屏障系统为在动态和生理相关条件下评估药物穿过血脑屏障的渗透性提供了优质平台，解决了传统体外模型的局限性。它们能够评估载药纳米颗粒，包括受体介导的转胞吞作用以及针对中枢神经系统靶向递送的纳米载体优化。通过复制血脑屏障的细胞复杂性，这些模型有助于在疾病特定条件下测试神经保护剂和抗体。集成传感器能够深入了解药物毒性、神经元活动和突触行为。使用患者来源的细胞，它们支持个性化药物筛选和针对特定疾病的研究[4]。

3.4 芯片上的脑轴研究

多器官芯片为研究在疾病和药物开发背景下大脑与其他器官之间的相互作用提供了优质平台。它们能够研究复杂的病症，如肺癌脑转移，在其中可以复制并详细研究动态过程。这些芯片还有助于揭示微生物群 - 肠道 - 脑轴中的通信途径，阐明肠道健康如何影响神经系统疾病。通过模拟相互连接的器官系统，如肝性脑病中的肝 - 脑轴或通过脑 - 脾轴的免疫调节，多器官芯片提供了一种综合方法来理解全身性疾病。它们模拟动态生理环境的能力促进了在器官间通信和治疗开发方面的开创性研究。

参考文献

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