產品搜尋
會員登入/註冊
English
公司據點
人類血腦屏障 (BBB) 通透性 - 晶片上評估
麻省理工學院 (MIT) 的 Roger D. Kamm 團隊開發了一種微流體 BBB 通透性模型 ，該模型連接到我們的 Flow-EZ 壓力控製器，允許進行定量血管通透性分析。他們的微流體裝置最近發表在《自然協議》中，提供了一個人類 BBB 模型 ，在血管形態學和適當的細胞組織、運輸能力及相關基因/蛋白質表達譜方面
什麼是血腦屏障通透性？
血腦屏障（BBB）是一個血管網絡，作為一個強大的屏障，將血液與中樞神經系統中的腦脊液分開。它由這些血管中的專門內皮細胞組成，防止大多數物質自由進出大腦。
BBB 控制什麼可以從血液進入大腦。血腦屏障的通透性決定了物質多容易通過以達到大腦。
它具有高度的選擇性和嚴格的調控。其主要功能是保護大腦免受可能有害的物質，同時允許重要的營養素和分子通過。這有助於維持大腦的穩定環境，並保護其免受有害物質的侵害。
什麼影響血腦屏障的通透性？
BBB 的通透性受到多種因素的影響，例如神經元和細胞外基質，這些因素共同作用以調節其功能。
在正常情況下，BBB 防止細菌、大分子和大多數小分子進入大腦。要進入大腦，物質需要小、脂溶性，並且不被主動運輸出去。一些物質可以通過特定的運輸機制進入。然而，在某些情況下，如發炎或受傷，BBB 的完整性可能會受到損害，允許較大和更親水的物質通過。
BBB 的通透性可能會因幾個因素而異：
1. 分子大小和結構：小型脂溶性分子比大型極性分子更容易穿過血腦屏障，後者可能需要特定的運輸機制。
2. 電荷：帶電分子可能需要特定的運輸蛋白來穿越血腦屏障，因為該屏障具有疏水性。
3. 運輸機制：各種運輸機制，如被動擴散、促進擴散、主動運輸和跨細胞吞噬，調節物質穿越血腦屏障的運動。這些機制可以影響分子的通透性。
4. 緊密連接的完整性：血腦屏障由緊密連結的內皮細胞組成，形成一個阻止物質在細胞之間輕易移動的屏障。當大腦中的緊密連接受到破壞時，可能會增加血腦屏障的通透性，並允許物質滲漏進入大腦。
現有的血腦屏障模型有哪些？
體外人類血腦屏障（BBB）模型是評估屏障通透性、病理生理分子運輸機制以及設計針對神經系統疾病的靶向療法所需的。幾個 2D 培養系統已被設計出來，但往往無法重現腦毛細血管的 3D 細胞組織。
3D BBB 模型的生成使得管狀血管的產生成為可能，然而它們的幾何形狀以及細胞組織仍然遠未反映體內的血腦屏障。在此，Hajal 等人開發了一種類似自然血腦屏障的人類 BBB 晶片模型，顯示出相關的基因表達譜和血管通透性值。他們還開發了灌注分子的定量測量。
實驗程序
作者提供了一個詳細的協議，包括製作其血腦屏障（BBB）模型的不同步驟，以及使用微流體技術定量分析分子血腦屏障通透性的方法。簡而言之，PDMS 微流體晶片是從通過軟光刻製作的矽晶圓中模製而成。適當的細胞類型，如人類內皮細胞（ECs）、周細胞（PCs）和星形膠質細胞（ACs），被嵌入在纖維蛋白水凝膠中並裝載在微流體晶片內（圖 1）。
由於細胞自我組織，微血管網絡（MVNs）在晶片內培養幾天後形成。
此外，作者開發了一種精確收集間質液的方法，以直接分析標記和未標記的分子。他們使用 Fluigent Flow-EZ 壓力控製器，以 1kPa 的壓力灌注其腦血屏障模型，並進一步收集間質液（圖 2）。這種受控的液體灌注和收集使得能夠使用如 ELISA 或質譜等方法分析該液體中存在的分子。
這兩種方法（在血管加壓後收集間質液和通過共聚焦顯微鏡進行瑩光成像）可以結合起來測量在生理性跨壁流動條件下的有效腦血屏障通透性值。
這種穩健且靈活的方法可以應用於許多領域。例如，分析腦血屏障對納米顆粒的通透性或對感染性病原體如 SARS-CoV-2 的易感性將非常有趣。
結果
與標準的 2D 測試相比，這個 BBB 模型具有相關的細胞組織和形態特徵，以及在體內預期範圍內的分子通透性值。經過幾天的培養，形成了高度互聯的結構（圖 3），血管直徑在 10–40 µm 範圍內（略大於人體 BBB 毛細血管在體內的直徑）。
它們可以用溶質灌注，使其成為一個高度生理相關的通透性模型微循環。重要的是，使用微流體泵應用生理水平的流體流動已被證明可以誘導較低的通透性，並導致模型穩定性延長（Gs, O. et al. Microheart: a microfluidic pump for functional vascular culture in microphysiological systems. J. Biomech. 119, 2021）。
在血腦屏障晶片內形成的微血管網絡可以從凝膠中收集以進行分析。像內皮細胞這樣的細胞類型可以使用細胞分選器進行分離，以量化其基因和蛋白質表達水平。結果顯示，在適當的培養條件下，與血腦屏障特異性的血管周圍細胞（周細胞和星形膠質細胞）共同培養時，人類內皮細胞（來自誘導多能幹細胞的內皮細胞 = iPS-ECs）採用的基因表達譜與人類原代腦內皮細胞的表達譜非常接近。
此外，對各種分子的通透性評估以及在血腦屏障晶片中分泌的循環細胞激素的分析（通過對灌注介質的 Luminex 分析）提供了一個簡單且生理上準確的平台，以研究細胞激素信號傳導與運輸蛋白基因/蛋白表達之間的相關性。
此外，這個協議在設計患者特異性的血腦屏障微血管網絡方面的相關性，可能在臨床上具有潛在的應用。
結論
Hajal 等人建立了一個血腦屏障 (BBB) 通透性模型晶片，其中形成了相互連接的微血管網絡，重現了自然血腦屏障的關鍵特徵。在他們發表於著名的《Nature Protocols》期刊的實驗流程中，我們準確且多功能的流量控制儀器 – Flow-EZ – 提供了對介質灌注和收集的完全控制，這對於灌注液的分析是必要的。這個血腦屏障模型晶片代表了一個適合在學術和工業實驗室廣泛使用的系統。Cynthia Hajal, Giovanni S. Offeddu, Yoojin Shin, Shun Zhang, Olga Morozova, Dean Hickman, Charles G. Knutson & Roger D. Kamm
Nat Protoc 17, 95–128 (2022). Engineered human blood–brain barrier microfluidic model for vascular permeability analyses | Nature Protocols
