微流控血腦屏障芯片的特征、設計方法及應用領域

血腦屏障（BBB）是一種選擇性屏障，保護大腦和中樞神經系統（CNS），維持穩定的內環境。它由內皮細胞、周細胞、神經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系統。現在先進的血腦屏障模型通過開發靶向療法、識別潛在的神經毒性外來物質，能夠更好地研究這些疾病，這代表著神經科學和藥理學領域向前邁出了重要一步^[1-2]。

傳統研究血腦屏障（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）通過工程系統模擬體內血腦屏障功能來解決這些問題。這些模型能夠精確控制環境，支持細胞共培養，施加剪切應力，并復制人腦環境條件。微流控血腦屏障設備能夠進行高分辨率成像、細胞內監測和細胞外反應分析，使其成為中樞神經系統疾病研究、治療篩選和神經毒性測試的理想工具。它們為推進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）模型應復制體內血腦屏障的關鍵特征，包括：

• 內皮細胞（ECs）形成3D血管樣結構
• 細胞間相互作用
• 流體流動對內皮細胞產生的剪切應力
• 一層薄而多孔的基底膜（BM）

在體外模擬血腦屏障最具挑戰性的方面之一是準確復制天然基底膜，它在細胞分化、體內平衡、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。內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。

其他透明膜，如聚四氟乙烯，能夠實現高分辨率成像以及實時監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內皮細胞（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。
1.2 平行設計
1.3 三維管狀結構設計
傳統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。
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：

• OB1 流量控制器
• 歧管
• MUX 再循環閥
• MUX 分配閥
• MUX 導線
• 三通 / 兩通閥
• 微流控流量傳感器
• 接頭、管道和魯爾接頭
• 儲液槽
• 用于血腦屏障芯片模型的微流控芯片
• 微流控軟件

2.1 點成Elveflow設備的優勢
1. OB1 壓力控制器

• 精確的流體流量控制：OB1 采用壓電調節器，可實現快速穩定的壓力調節。這種精確性確保微流控環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特性至關重要。
• 動態灌注能力：在芯片上的血腦屏障裝置中，維持適當的剪切應力對內皮細胞功能至關重要。OB1 允許控制流體流動，實現動態灌注，模擬體內血流條件，從而增強模型的生理相關性。

2. MUX 分配閥

• 自動順序注射：該閥門允許將各種試劑、藥物或培養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條件的動態灌注實驗至關重要，增強了模型的生理相關性。

• MUX 再循環閥

• 模擬生理流動條件：MUX 再循環裝置允許對流體進行精確、可編程的再循環，這對于復制血腦屏障中內皮細胞所經歷的剪切應力和流體動力學至關重要。
• 受控再循環確保現實的血流模式：這對于維持內皮細胞的形態和功能至關重要。
• 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，以研究它們隨時間與血腦屏障的相互作用。
• 動態共培養系統：它確保持續灌注，這對于細胞活力和維持緊密連接至關重要。
• 降低污染風險：閉環再循環最大限度地降低了污染風險，這是開放灌注系統中常見的挑戰。

3、  應用領域
3.1 神經系統疾病建模

• 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）在其環境中的相互作用。此外，使用體外血腦屏障系統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中，這些模型為篩選具有強大腫瘤殺傷能力的藥物提供了高效平臺。
• 神經功能障礙疾病：神經疾病病變中的炎癥反應是由免疫細胞（包括中性粒細胞、神經膠質細胞和星形膠質細胞）的聚集和遷移引起的。在神經系統疾病模型（如阿爾茨海默病）中，神經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 神經生物學研究
在微流控平臺內控制神經元細胞周圍的微環境，包括細胞間以及細胞與細胞外基質（ECM）之間的相互作用，能夠為神經干細胞分化為神經系統的組成部分創造一個類似體內的微環境。
通過將微流控技術與神經生物學相結合，可以解決該領域的一些技術挑戰，例如培養中樞神經系統（CNS）神經元、分離軸突、對培養的神經元進行圖案化、引導神經突生長以模擬軸突損傷，以及研究軸突內的局部蛋白質合成、軸突再生和軸突運輸等過程。

3.3 體外藥物開發
芯片上血腦屏障系統為在動態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先進平臺，解決了傳統體外模型的局限性。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系統靶向遞送的納米載體優化。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保護劑和抗體。集成傳感器能夠深入了解藥物毒性、神經元活動和突觸行為。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背景下大腦與其他器官之間的相互作用提供了先進平臺。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系統疾病。通過模擬相互連接的器官系統，如肝性腦病中的肝 - 腦軸或通過腦 - 脾軸的免疫調節，多器官芯片提供了一種綜合方法來理解全身性疾病。它們模擬動態生理環境的能力促進了在器官間通信和治療開發方面的開創性研究。

參考文獻

• 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
• 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.
• 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
• 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
• 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