微流控血腦屏障芯片：打開大腦研究的黑匣子

研究背景：

在我們的大腦中，存在一道精密而神秘的防線——血腦屏障（BBB）。這一具有高度選擇性的屏障結(jié)構(gòu)，如同大腦的“守門人"，保護(hù)著大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）免受有害物質(zhì)的侵害，同時(shí)維持著穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境。

血腦屏障由內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)精密構(gòu)成，它們協(xié)同工作，保障屏障的完整性。當(dāng)這道屏障功能出現(xiàn)異常時(shí)，可能與阿爾茨海默病、帕金森病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。如今，優(yōu)良的微流控血腦屏障模型正成為神經(jīng)科學(xué)與藥理學(xué)研究的重要突破口，通過研發(fā)靶向療法、識(shí)別潛在的神經(jīng)毒性外源物，助力科學(xué)家更深入地探索這些疾病的奧秘^[1,2]。

 傳統(tǒng)研究方法的局限與突破

傳統(tǒng)的血腦屏障研究方法，如Transwell實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物模型，存在著明顯的局限性：模型過于簡化、生理相關(guān)性差、種屬差異等問題制約了研究的深入。

微流控血腦屏障模型（μBBB）通過工程化系統(tǒng)模擬體內(nèi)血腦屏障功能，為解決這些問題帶來了新的希望。這類模型能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控、支持細(xì)胞共培養(yǎng)、施加生理相關(guān)的剪切力，并高度模擬人體腦部生理?xiàng)l件。此外，μBBB裝置還支持高分辨率成像、細(xì)胞內(nèi)監(jiān)測及細(xì)胞外反應(yīng)分析，成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究、療法篩選及神經(jīng)毒性測試的理想工具^[2]。

一個(gè)優(yōu)秀的體外血腦屏障模型應(yīng)當(dāng)能夠復(fù)現(xiàn)體內(nèi)血腦屏障的核心特征：

· 由內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成的類血管三維結(jié)構(gòu)

· 真實(shí)的細(xì)胞間相互作用

· 流體流動(dòng)產(chǎn)生的生理性剪切力

· 薄而多孔的基底膜結(jié)構(gòu)

其中，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)天然基底膜是最大的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。這一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在細(xì)胞分化、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)維持、組織修復(fù)及結(jié)構(gòu)支撐中發(fā)揮著不可替代的作用。理想的人工基底膜需要采用生物相容性材料，并將厚度精確控制在約100nm級別。

微流控裝置設(shè)計(jì)：

一、三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該微流控血腦屏障設(shè)計(jì)包含上下兩個(gè)聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道，通道間由多孔膜分隔。通常采用孔徑范圍為 0.2-3 μm 的聚碳酸酯膜，與 Transwell 系統(tǒng)類似。內(nèi)皮細(xì)胞一般接種在上層通道，而周細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞或其他腦細(xì)胞則在下層通道中培養(yǎng)。

此外，聚四氟乙烯等替代透明膜可實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測生物分子轉(zhuǎn)運(yùn)與細(xì)胞生長過程。同時(shí)，可反向調(diào)整細(xì)胞接種配置：在下層通道中，將內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)成類血管三維結(jié)構(gòu)，而上層通道接種周細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞，這種方式能更清晰地觀察細(xì)胞間相互作用。

三明治結(jié)構(gòu)血腦屏障芯片示意圖：（A）芯片視圖，包含上下兩部分，每部分各有 8 條通道，通道間由多孔 PDMS 膜分隔；（B）雙層裝置設(shè)計(jì)示意圖，由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的 PDMS 部件組成，其中一個(gè)倒置后與另一個(gè)鍵合；（C）在雙層裝置中實(shí)現(xiàn) 8 種不同實(shí)驗(yàn)條件的示意圖（2）。

二、平行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩個(gè)水平排列的通道由 PDMS 微通道陣列分隔，以 PDMS 基微柱 “膜"（間隙 3 μm）替代傳統(tǒng)聚碳酸酯膜。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞或腦腫瘤細(xì)胞的共培養(yǎng)，且無需額外化學(xué)修飾，簡化了裝置組裝流程。其平面布局還能增強(qiáng)細(xì)胞間相互作用，提升成像效果。

該裝置的核心為中央組織腔室，兩側(cè)分布有帶流體入口的血管通道，整體組裝在顯微鏡載玻片上，通過塑料管實(shí)現(xiàn)各通道的流體接入。

血腦屏障芯片示意圖與實(shí)物圖：A. 裝置中心為組織腔室，兩側(cè)是兩個(gè)獨(dú)立的血管通道，通道設(shè)有流體入口；B. 該設(shè)計(jì)的細(xì)胞培養(yǎng)示意圖；C. 裝置組裝在顯微鏡載玻片上，通過深藍(lán)色塑料管連接，可分別接入各血管通道與組織腔室^[3]。

三、3D 管狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光刻技術(shù)通常用于制備基于 PDMS 的微流控血腦屏障模型，這類模型多采用矩形微通道，但矩形結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致流動(dòng)不均與剪切力不一致，進(jìn)而影響內(nèi)皮細(xì)胞的生理行為。為解決這一問題，部分 μBBB 系統(tǒng)采用圓柱形微通道，以實(shí)現(xiàn)均勻的剪切力。例如，利用微針制備基于膠原蛋白的 3D 微血管管（直徑 75-150 μm），通過調(diào)節(jié)流體流速可實(shí)現(xiàn)管徑的精準(zhǔn)控制，最終將其集成到 μBBB 裝置中。

腦微血管系統(tǒng)示意圖^[4]。

實(shí)驗(yàn)裝置與應(yīng)用場景：

一、血腦屏障芯片集成實(shí)驗(yàn)裝置

血腦屏障芯片（Blood-Brain Barrier on-a-chip）實(shí)驗(yàn)裝置包含以下組件：

· OB1 流量控制器（OB1 flow controller）

· 歧管器（Manifold）

· MUX 再循環(huán)模塊（MUX recirculation）

· MUX 分配模塊（MUX distribution）

· MUX 連接線（MUX wire）

· 三通閥（3/2 valves）

· 微流控流量傳感器（Microfluidic flow sensor）

· 接頭、管路與魯爾接頭（Fittings, tubings & luers）

· 儲(chǔ)液池（Reservoirs）

· 血腦屏障芯片專用微流控芯片（Microfluidic chip for blood-brain barrier on a chip model）

· 微流控軟件（ESI）

二、點(diǎn)成Elveflow 設(shè)備的實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢

1. OB1 壓力控制器（OB1 Pressure controller）

· 精準(zhǔn)流體流量控制：OB1 采用壓電調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)快速且穩(wěn)定的壓力調(diào)節(jié)。這種精準(zhǔn)性能確保微流控環(huán)境高度模擬生理?xiàng)l件，而這對于準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)血腦屏障的動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要。

· 動(dòng)態(tài)灌注能力：在血腦屏障芯片裝置中，維持適宜的剪切力是保證內(nèi)皮細(xì)胞功能正常的關(guān)鍵。OB1 可實(shí)現(xiàn)受控流體流動(dòng)，進(jìn)而模擬體內(nèi)血流條件的動(dòng)態(tài)灌注，提升模型的生理相關(guān)性。

2. MUX 分配模塊（MUX Distribution）

· 自動(dòng)化序貫注射：該模塊的閥門可按程序?qū)⒍喾N試劑、藥物或培養(yǎng)基輸送至血腦屏障芯片中。這種自動(dòng)化對于開展高度模擬體內(nèi)條件的動(dòng)態(tài)灌注實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，能進(jìn)一步提升模型的生理相關(guān)性。

3. MUX 再循環(huán)模塊（MUX Recirculation）

· 模擬生理流動(dòng)條件：MUX 再循環(huán)模塊可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、可編程的流體再循環(huán)，這對復(fù)現(xiàn)血腦屏障內(nèi)皮細(xì)胞所承受的剪切力與流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境至關(guān)重要。

· 維持細(xì)胞功能：受控的再循環(huán)能確保符合生理實(shí)際的血流模式，是維持內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)與功能正常的必要條件。

· 藥物測試與毒性篩選：可受控地引入藥物或納米顆粒，并通過再循環(huán)系統(tǒng)研究其與血腦屏障的長期相互作用。

· 動(dòng)態(tài)共培養(yǎng)系統(tǒng)：保障持續(xù)灌注，而持續(xù)灌注對細(xì)胞活性維持與緊密連接穩(wěn)定至關(guān)重要。

· 降低污染風(fēng)險(xiǎn)：閉環(huán)再循環(huán)設(shè)計(jì)大幅降低了污染風(fēng)險(xiǎn)，而污染是開放式灌注系統(tǒng)中常見的問題。

應(yīng)用場景：

1. 神經(jīng)系統(tǒng)疾病建模（Neurological diseases Modeling）

腦腫瘤（Brain Tumor）

血腦屏障模型可用于研究血管膠質(zhì)瘤起始細(xì)胞，如何與其微環(huán)境相互作用。此外，利用體外血腦屏障系統(tǒng)能更清晰地解析腦腫瘤轉(zhuǎn)移的機(jī)制。通過將患者來源的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤球狀體整合到微流控系統(tǒng)中，這類模型可成為篩選高腫瘤殺傷能力藥物的高效平臺(tái)。

神經(jīng)功能障礙疾病（Neurological Disorder Disease）

神經(jīng)系統(tǒng)疾病病灶處的炎癥反應(yīng)，源于中性粒細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞等免疫細(xì)胞的聚集與遷移。在阿爾茨海默病等神經(jīng)功能障礙模型中，小膠質(zhì)細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化會(huì)誘發(fā)神經(jīng)炎癥。活化的免疫細(xì)胞會(huì)釋放腫瘤壞死因子 -α（TNF-α）、白細(xì)胞介素 - 1（IL-1）等炎癥細(xì)胞因子。在此過程中，細(xì)胞因子與免疫細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致血腦屏障破壞，常引發(fā)血液滲入腦組織，進(jìn)而造成不可逆的腦損傷。

2. 神經(jīng)生物學(xué)研究（Neurobiology Research）

在微流控平臺(tái)中調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞周圍的微環(huán)境（包括細(xì)胞間相互作用與細(xì)胞 - 細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）相互作用），可為神經(jīng)干細(xì)胞構(gòu)建類體內(nèi)微環(huán)境，助力其分化為神經(jīng)系統(tǒng)組成細(xì)胞。將微流控技術(shù)與神經(jīng)生物學(xué)結(jié)合，可解決該領(lǐng)域的多項(xiàng)技術(shù)難題，例如：中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）神經(jīng)元培養(yǎng)、軸突分離、培養(yǎng)神經(jīng)元圖案化、引導(dǎo)神經(jīng)突生長以模擬軸突損傷，以及研究軸突局部蛋白質(zhì)合成、軸突再生與軸突運(yùn)輸?shù)冗^程。

3. 體外藥物研發(fā)（In vitro drug development）

血腦屏障芯片系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)、生理相關(guān)條件下評估藥物通過血腦屏障的滲透性提供了優(yōu)良平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)體外模型的局限性。該系統(tǒng)可用于評估載藥納米顆粒，包括研究受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用與優(yōu)化中樞神經(jīng)系統(tǒng)靶向遞送的納米載體。通過復(fù)現(xiàn)血腦屏障的細(xì)胞復(fù)雜性，這類模型能在疾病特異性條件下測試神經(jīng)保護(hù)劑與抗體。集成傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測藥物毒性、神經(jīng)元活性及突觸行為。利用患者來源細(xì)胞，該系統(tǒng)還支持個(gè)性化藥物篩選與疾病特異性研究^[5]。

4. 腦軸芯片（Brain-Axis on chip）

多器官芯片為研究疾病與藥物研發(fā)背景下腦與其他器官的相互作用提供了優(yōu)良平臺(tái)。其可用于解析肺癌腦轉(zhuǎn)移等復(fù)雜病癥 —— 這類病癥中的動(dòng)態(tài)過程可通過芯片被精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)與深入研究。此外，多器官芯片還能助力解析微生物群 - 腸 - 腦軸的通信通路，闡明腸道健康對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的影響。通過模擬相互關(guān)聯(lián)的器官系統(tǒng)（如肝性腦病中的肝 - 腦軸、腦 - 脾軸介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)），多器官芯片為理解全身性疾病提供了整合性研究手段。其模擬動(dòng)態(tài)生理環(huán)境的能力，推動(dòng)了器官間通信與治療研發(fā)領(lǐng)域的突破性研究。

結(jié)語：

隨著微流控技術(shù)的不斷發(fā)展，血腦屏障芯片正在為神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究和藥物研發(fā)開辟新的天地。點(diǎn)成Elveflow通過提供精準(zhǔn)、可靠的微流控解決方案，助力科研人員突破傳統(tǒng)研究方法的限制，更深入地探索大腦的奧秘。

References

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

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