重构大脑“守门员”--血脑屏障芯片近期研究进展
人类大脑中的星形胶质细胞与脉管系统中内皮细胞相互作用共同形成了血脑屏障（Blood-Brain Barrier，BBB）。BBB不仅可以调节物质在循环系统与大脑之间的运输，还能够阻止有害物质由血液进入脑组织，从而维持脑组织内部环境的稳态。相比于传统的Transwell或者微孔板的方式，微流控芯片可以更真实地重现人体相关的BBB结构和生理功能，如多细胞成分、屏障完整性、血液循环、代谢物渗透性等。相比于动物实验而言，克服了人源性和动物源性的差异。此外，动物实验无法用来探究药物是否可穿过BBB以及渗透性，而芯片却可以轻易实现。总而言之，不论是动物实验还是传统体外实验，都很难精准设计BBB，并模拟BBB的生理病理特征。微流控芯片的出现以前所未有的方式见证了和研究了BBB的生物学行为，预测了人体BBB对药物及外界不同刺激产生的反应。为方便大家进行相关内容的学习，EFL整理了部分血脑屏障（BBB）芯片近期研究进展相关的综述论文和研究文章供大家参考。
代表性工作回顾
1. Cell Stem Cell (IF 24.633): 基于微流控芯片技术，首次利用干细胞创制BBB模型
简介：神经系统疾病如多发性硬化症、癫痫、阿尔茨海默病和亨廷顿氏病，共同影响全世界数百万人的身体健康，这些疾病往往与BBB缺陷有关。鉴于此，研究人员将从患有神经系统疾病的个体收集的血细胞进行基因改造为诱导多能干细胞，并用诱导多能干细胞来源的大脑微血管内皮样细胞、星形胶质细胞和神经元构建了完整的人源性BBB芯片。该BBB芯片表现出生理相关的跨内皮电阻，可准确预测药物的血脑通透性，阻断某些药物的进入。当向血管腔灌注全血后，毛细管壁可以保护神经细胞免受血浆诱导的毒性。相关工作“Human iPSC-Derived Blood-Brain Barrier Chips Enable Disease Modeling and Personalized Medicine Applications”于2019.6.6发表于《Cell Stem Cell》上。
原文链接：
https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S1934-5909%2819%2930215-2
2. Nature Communications (IF 14.919): 人体BBB平台研究纳米颗粒转运机制
简介：神经疾病药物开发中遇到的主要挑战仍然是BBB仿生模型构建。尽管一些动物模型对药物开发做出了重要贡献，但是仍难以在分子和细胞水平上对屏障功能以及与药物的相互作用进行机理研究。本文作者提出了一个BBB微生理平台，通过细胞相互作用、关键基因表达、低渗透性和减少反应性胶质增生和极化水通道蛋白-4分布的三维星形细胞网络来模拟BBB的结构和功能。该模型可实现在血管和血管周围区域的纳米颗粒分布的3D映射，精确捕获3D纳米颗粒在细胞水平上的分布，并通过受体介导的胞吞作用体现了细胞摄取和BBB渗透。相关工作“Microengineered human blood–brain barrier platform for understanding nanoparticle transport mechanisms”于2020.1.10发表于《Nature Communications》上。
原文链接：
https://sci-hub.yncjkj.com/10.1038/s41467-019-13896-7
3. Nature Communications (IF 14.919): 低氧增强BBB芯片再现人体屏障的功能及药物和抗体的转运
简介：人体BBB的高选择性限制了许多药物和治疗性抗体输送到中枢神经系统。本研究作者基于微流控芯片构建了一种体外BBB模型，该模型由诱导多能干细胞来源的人脑微血管内皮细胞、原代人脑星形胶质细胞和周细胞组成。内皮细胞表达高水平的紧密连接蛋白，并表现出先前在体内观察到的多肽和抗体的选择性胞吞作用。此外，作者通过在缺氧条件下诱导分化，实现了屏障功能的增强。这种低氧增强BBB芯片代表了一种新型的体外工具，用于开发和验证跨越人体BBB药物和治疗性抗体的转运系统。相关工作“Hypoxia-enhanced Blood-Brain Barrier Chip recapitulates human barrier function and shuttling of drugs and antibodies”于2019.6.13发表于《Nature Communications》上。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10588-0.pdf
4. ACS Sensors (IF 7.711) 综述: BBB芯片集成生物传感器用于新型神经退行性疾病监测
简介：近几十年来，由于神经退行性疾病发病率的大幅增加，研究疾病进展和药物疗效的新型生物平台的开发受到了极大的关注。BBB芯片平台可以加深对神经退行性疾病的理解，并为新疗法的药物渗透性测试提供可靠手段。BBB芯片技术的一个非常有吸引力的改进是与检测系统集成在一起，提供对生物标志物的持续实时监测和对药物的全自动化渗透分析，为商业化提供更高效的平台。本文作者概述了BBB芯片的构成，详细介绍了集成电子读出系统的BBB芯片的前景，指出了当前设备的优缺点，提出了在BBB芯片中集成生物传感器的巨大潜力。相关综述“Biosensors Integration in Blood-Brain Barrier-on-a-Chip: Emerging Platform for Monitoring Neurodegenerative Diseases”于2022.5.15发表于《ACS Sensors》上。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acssensors.2c00333
5. Advanced Functional Materials (IF 18.808): 体外BBB模型及其在胶质母细胞瘤中研究BBB相关的化学敏感性和药物输送
简介：在生理学上，脑肿瘤通过与周围的血管和神经胶质细胞相互作用，以在脑组织特异性微环境中维持生存。脑肿瘤治疗的一个主要困难是机体对药物的高耐药性和BBB的穿透性差。因此，在体外模拟脑肿瘤的生理环境有助于预测细胞对药物的反应。在这里，作者基于微流控芯片技术提出了一种3D胶质母细胞瘤培养平台。鉴于此，作者通过微血管给药后，评估了构建的BBB功能及其可逆性。在BBB中共培养的脑肿瘤细胞表现出更具侵略性的生长模式和较高的耐药性，并可分泌高浓度的炎症细胞因子。最后，作者通过化学方式打开BBB，促进BBB非穿透性药物的输送。这项研究的结果表明，该平台可以潜在地研究BBB相关生理学，并根据脑肿瘤和BBB的相互作用监测药物反应。相关工作“Triculture Model of In Vitro BBB and its Application to Study BBB-Associated Chemosensitivity and Drug Delivery in Glioblastoma”于2022.3发表于《Advanced Functional Materials》上。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202106860
6. Advanced Functional Materials (IF 18.808): 利用双模板技术在毛细血管尺度上构建人体BBB
简介：体外BBB模型在研究免疫细胞运输和药物输送等过程中发挥了重要作用，并有助于了解疾病进展的机制。脑血管系统中的许多生物和病理过程发生在毛细血管中，因此在毛细血管尺度上缺乏稳健的层次模型是BBB研究的主要障碍。本文作者利用双模板技术在毛细血管尺度上构建了人体BBB。首先，作者证明了使用人脐静脉内皮细胞可以形成血管网络。然后，使用从诱导多能干细胞分化而来的脑微血管内皮样细胞在BBB模型中表征屏障的功能特性。最后，在肿瘤坏死因子-α的灌注下，模型表现出免疫细胞的粘附和迁移，以及在小鼠模型中观察到的毛细血管尺度效应，例如白细胞堵塞。相关工作“Engineering the Human Blood-Brain Barrier at the Capillary Scale using a Double-Templating Technique”于2022.5.6 发表于《Advanced Functional Materials》上。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202110289
7. Nature Protocols (IF 13.491): 用于血管通透性分析的人体BBB芯片
简介：将动物模型的结果转化为临床应用具有巨大的挑战，迫切需要提出一种与体内生理状况相关的体外BBB模型，进一步评估病理生理分子转运机制，实现神经疾病的靶向治疗。基于此，作者将干细胞衍生的或初级脑内皮细胞、初级脑周细胞和星形胶质细胞集成在微流控装置中，通过自组装的方式形成了人体BBB体外模型。该模型构建的耗时历程包括1.5天的芯片制备，7天的细胞培养，5天的下游成像、蛋白和基因表达分析。测量BBB模型中分子的渗透性实验仅需30分钟。与标准的2D分析相比，BBB模型具有相关的细胞组成和形态特征，以及分子通透性。除了这些特性，功能性的脑内皮表达谱，以及在低试剂消耗下测试多组重复实验的能力，使得这种BBB模型非常适合在学术和工业实验室中广泛使用。相关工作“Engineered human blood-brain barrier microfluidic model for vascular permeability analyses”于2022.1.13发表于《Nature Protocols》上。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41596-021-00635-w.pdf
8. Biomaterials (IF 12.479): 人干细胞衍生的大脑内皮微血管用于抗炎药物的渗透性筛选
简介：目前，包括神经退行性疾病在内的大脑疾病还没有足够的治疗方法，优化BBB渗透的候选药物仍然是药物发现的基本策略。建立先进的体外干细胞衍生的BBB模型，以筛选药物的BBB渗透性还存在难点。为解决这一难题，本研究作者建立了人类诱导多能干细胞衍生的大脑内皮微血管。作者通过将原代细胞条件培养液加入到干细胞衍生的脑微血管内皮细胞，研究发现10天内即可生长为微血管，该微血管可表现出典型的BBB内皮蛋白表达、紧密连接和外排转运体极化定位，以及生理相关的跨内皮电阻。此外，渗透性测试证实了该模型允许快速筛选BBB渗透性抗炎化合物，有望为神经退行性疾病提供有效的治疗药物。相关工作“Human iPSC-derived brain endothelial microvessels in a multi-well format enable permeability screens of anti-inflammatory drugs”于2022.4.30发表于《Biomaterials》上。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014296122200165X?via%3Dihub
9. Fluids and barriers of the CNS (IF 7.662): BBB模型用于胶质母细胞瘤靶向CAR-T基的免疫治疗临床前评估
简介：跨越BBB是嵌合抗原受体-T细胞（CAR -T）治疗系统应用于恶性胶质瘤和其他中枢神经系统恶性肿瘤的重要一步。此外，即使是CAR-T疗法靶向非中枢神经系统抗原，如CD19-CAR-T疗法，也会引发中枢神经系统的副作用，包括BBB中断导致的脑肿胀。本研究作者使用人多能干细胞衍生的脑内皮样细胞共培养模型来评估CAR-T基的免疫疗法靶向过表达肿瘤特异性突变蛋白EGFRvIII的U87MG人胶质母细胞瘤细胞的BBB外渗。研究发现，CAR-F263和CAR-F269 T细胞引发了跨内皮电阻的降低和BBB通透性的增加。48小时内U87vIII细胞活力明显下降，激活的CAR-F263表现出强大的细胞毒性反应。此外，CAR-F269 T细胞可表现出类似的细胞毒性，但与CAR-F263相比，尽管具有相似的转移率，但其杀死U87vIII细胞的效率低达4倍。相关工作“Application of blood brain barrier models in pre-clinical assessment of glioblastoma-targeting CAR-T based immunotherapies”于2022.6.3发表于《Fluids and barriers of the CNS》上。
原文链接：
https://www.webofscience.com/wos/alldb/full-record/MEDLINE:35650594
10. Small (IF 13.281): 连续监测揭示N-乙酰半胱氨酸酰胺对神经血管单元的微生理模型的保护作用
简介：微生理系统模拟体内细胞群和微环境旨在为生物制药研究提供人体相关的体外模型。本研究作者报道了一种BBB芯片模型，该模型具有人诱导多能干细胞衍生的细胞和小于2分钟时间分辨率的连续屏障完整性监测的特点。与盛行的聚二甲基硅氧烷器件相比，依赖非化学计量的硫醇环氧树脂的制造方式大大方便了装置的组装和传感器的集成。该BBB模型由人诱导多能干细胞衍生的内皮样细胞和星形细胞样细胞共培养而成，整合的细胞-底物内皮阻力监测可以捕捉BBB模型的形成和破坏。研究发现，当林西多明暴露于BBB芯片时，可以观察到明显的细胞破坏，进一步体现了抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸酰胺对屏障的渗透性和保护作用。相关工作“Continuous Monitoring Reveals Protective Effects of N-Acetylcysteine Amide on an Isogenic Microphysiological Model of the Neurovascular Unit”于2021.7.9发表于《Small》上。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101785