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構，如同大腦的“守門人"，保護著大腦和中樞神經系統(tǒng)（CNS）免受有害物質的侵害，同時維持著穩(wěn)定的內部環(huán)境。

血腦屏障由內皮細胞、周細胞、神經膠質細胞及細胞外基質精密構成，它們協(xié)同工作，保障屏障的完整性。當這道屏障功能出現(xiàn)異常時，可能與阿爾茨海默病、帕金森病等神經系統(tǒng)疾病密切相關。如今，優(yōu)良的微流控血腦屏障模型正成為神經科學與藥理學研究的重要突破口，通過研發(fā)靶向療法、識別潛在的神經毒性外源物，助力科學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實驗和動物模型，存在著明顯的局限性：模型過于簡化、生理相關性差、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。這類模型能夠實現(xiàn)對環(huán)境的精準調控、支持細胞共培養(yǎng)、施加生理相關的剪切力，并高度模擬人體腦部生理條件。此外，μBBB裝置還支持高分辨率成像、細胞內監(jiān)測及細胞外反應分析，成為中樞神經系統(tǒng)疾病研究、療法篩選及神經毒性測試的理想工具^[2]。

一個優(yōu)秀的體外血腦屏障模型應當能夠復現(xiàn)體內血腦屏障的核心特征：

· 由內皮細胞構成的類血管三維結構

· 真實的細胞間相互作用

· 流體流動產生的生理性剪切力

· 薄而多孔的基底膜結構

其中，精準復現(xiàn)天然基底膜是最大的技術挑戰(zhàn)之一。這一關鍵結構在細胞分化、內環(huán)境穩(wěn)態(tài)維持、組織修復及結構支撐中發(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。

微流控裝置設計：

一、三明治結構設計

該微流控血腦屏障設計包含上下兩個聚二甲基硅氧烷（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。內皮細胞一般接種在上層通道，而周細胞、星形膠質細胞或其他腦細胞則在下層通道中培養(yǎng)。

此外，聚四氟乙烯等替代透明膜可實現(xiàn)高分辨率成像，還能實時監(jiān)測生物分子轉運與細胞生長過程。同時，可反向調整細胞接種配置：在下層通道中，將內皮細胞培養(yǎng)成類血管三維結構，而上層通道接種周細胞與星形膠質細胞，這種方式能更清晰地觀察細胞間相互作用。

三明治結構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）雙層裝置設計示意圖，由兩個結構相同的 PDMS 部件組成，其中一個倒置后與另一個鍵合；（C）在雙層裝置中實現(xiàn) 8 種不同實驗條件的示意圖（2）。

二、平行結構設計

兩個水平排列的通道由 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。該設計可實現(xiàn)星形膠質細胞或腦腫瘤細胞的共培養(yǎng)，且無需額外化學修飾，簡化了裝置組裝流程。其平面布局還能增強細胞間相互作用，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，通過塑料管實現(xiàn)各通道的流體接入。

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

三、3D 管狀結構設計

光刻技術通常用于制備基于 PDMS 的微流控血腦屏障模型，這類模型多采用矩形微通道，但矩形結構易導致流動不均與剪切力不一致，進而影響內皮細胞的生理行為。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），通過調節(jié)流體流速可實現(xiàn)管徑的精準控制，最終將其集成到 μBBB 裝置中。

腦微血管系統(tǒng)示意圖^[4]。

實驗裝置與應用場景：

一、血腦屏障芯片集成實驗裝置

血腦屏障芯片（Blood-Brain Barrier on-a-chip）實驗裝置包含以下組件：

· 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、點成Elveflow 設備的實驗優(yōu)勢

1. OB1 壓力控制器（OB1 Pressure controller）

· 精準流體流量控制：OB1 采用壓電調節(jié)器，可實現(xiàn)快速且穩(wěn)定的壓力調節(jié)。這種精準性能確保微流控環(huán)境高度模擬生理條件，而這對于準確復現(xiàn)血腦屏障的動態(tài)特性至關重要。

· 動態(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皮細胞功能正常的關鍵。OB1 可實現(xiàn)受控流體流動，進而模擬體內血流條件的動態(tài)灌注，提升模型的生理相關性。

2. MUX 分配模塊（MUX Distribution）

· 自動化序貫注射：該模塊的閥門可按程序將多種試劑、藥物或培養(yǎng)基輸送至血腦屏障芯片中。這種自動化對于開展高度模擬體內條件的動態(tài)灌注實驗至關重要，能進一步提升模型的生理相關性。

3. MUX 再循環(huán)模塊（MUX Recirculation）

· 模擬生理流動條件：MUX 再循環(huán)模塊可實現(xiàn)精準、可編程的流體再循環(huán)，這對復現(xiàn)血腦屏障內皮細胞所承受的剪切力與流體動力學環(huán)境至關重要。

· 維持細胞功能：受控的再循環(huán)能確保符合生理實際的血流模式，是維持內皮細胞形態(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。

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

· 降低污染風險：閉環(huán)再循環(huán)設計大幅降低了污染風險，而污染是開放式灌注系統(tǒng)中常見的問題。

應用場景：

1. 神經系統(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瘤起始細胞，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移的機制。通過將患者來源的膠質母細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。

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

神經系統(tǒng)疾病病灶處的炎癥反應，源于中性粒細胞、神經膠質細胞、星形膠質細胞等免疫細胞的聚集與遷移。在阿爾茨海默病等神經功能障礙模型中，小膠質細胞與星形膠質細胞的活化會誘發(fā)神經炎癥?；罨拿庖呒毎麜尫拍[瘤壞死因子 -α（TNF-α）、白細胞介素 - 1（IL-1）等炎癥細胞因子。在此過程中，細胞因子與免疫細胞會導致血腦屏障破壞，常引發(fā)血液滲入腦組織，進而造成不可逆的腦損傷。

2. 神經生物學研究（Neurobiology Research）

在微流控平臺中調控神經細胞周圍的微環(huán)境（包括細胞間相互作用與細胞 - 細胞外基質（ECM）相互作用），可為神經干細胞構建類體內微環(huán)境，助力其分化為神經系統(tǒng)組成細胞。將微流控技術與神經生物學結合，可解決該領域的多項技術難題，例如：中樞神經系統(tǒng)（CNS）神經元培養(yǎng)、軸突分離、培養(yǎng)神經元圖案化、引導神經突生長以模擬軸突損傷，以及研究軸突局部蛋白質合成、軸突再生與軸突運輸?shù)冗^程。

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

血腦屏障芯片系統(tǒng)為動態(tài)、生理相關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，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，包括研究受體介導的轉胞吞作用與優(yōu)化中樞神經系統(tǒng)靶向遞送的納米載體。通過復現(xiàn)血腦屏障的細胞復雜性，這類模型能在疾病特異性條件下測試神經保護劑與抗體。集成傳感器可實時監(jiān)測藥物毒性、神經元活性及突觸行為。利用患者來源細胞，該系統(tǒng)還支持個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。其可用于解析肺癌腦轉移等復雜病癥 —— 這類病癥中的動態(tài)過程可通過芯片被精準復現(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系統(tǒng)疾病的影響。通過模擬相互關聯(lián)的器官系統(tǒng)（如肝性腦病中的肝 - 腦軸、腦 - 脾軸介導的免疫調節(jié)），多器官芯片為理解全身性疾病提供了整合性研究手段。其模擬動態(tài)生理環(huán)境的能力，推動了器官間通信與治療研發(fā)領域的突破性研究。

結語：

隨著微流控技術的不斷發(fā)展，血腦屏障芯片正在為神經系統(tǒng)疾病研究和藥物研發(fā)開辟新的天地。點成Elveflow通過提供精準、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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