循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)之間的屏障已被證明是極其復雜的。蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）的研究人員開發(fā)了一個更現(xiàn)實的模型，用于更好地探索腦瘤等中樞系統(tǒng)疾病的新療法。該研究最近發(fā)表在《Advanced Science》，中國博士研究生魏巍作為第一作者。
為了更好地了解血腦屏障如何保護我們的中樞神經(jīng)系統(tǒng)免受血液中有害物質(zhì)的影響，ETH研究人員開發(fā)了一個新的體外模型。(圖片: Gunilla Elam / 科學圖片庫)
Mario Modena是一名在ETH生物工程實驗室工作的博士后。如果他要向一個11歲的孩子解釋他關于血腦屏障的研究，他會說："血腦屏障是保護我們的中樞神經(jīng)系統(tǒng)不受血流中有害物質(zhì)影響的墻，這道墻很重要，因為它能阻止壞人進入大腦。如果大腦受損或生病，墻壁上就會出現(xiàn)洞。有時，這種洞實際上是有用的，例如，為大腦提供急需的藥物。所以我們試圖了解的是如何維持這堵墻，能在可控的突破它，并再次修復它。"
從醫(yī)學角度來看，這堵墻也很重要，因為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的許多疾病都與血腦屏障的損傷有關。為了發(fā)現(xiàn)這個屏障是如何工作的，科學家們經(jīng)常在活體動物上進行實驗。除了這種實驗相對昂貴之外，動物細胞可能只提供了人體中發(fā)生的部分情況。此外，還有一些批評者質(zhì)疑動物試驗的基本有效性。另一種方法是以實驗室培養(yǎng)的人類細胞為基礎進行實驗。
許多體外模型使用血管內(nèi)皮細胞以相對簡化的方式重建了血腦屏障，但是這種方法不能代表人類系統(tǒng)的復雜結(jié)構，并且忽略了例如各種細胞類型之間的交流。此外，許多模型是靜態(tài)的，沒有考慮細胞在體內(nèi)暴露在血液流動產(chǎn)生的剪切應力。對于現(xiàn)有模擬體內(nèi)流動條件的動態(tài)體外模型，幾乎都需要復雜的泵，使得系統(tǒng)操作復雜。
除了這些挑戰(zhàn)，還有對血腦屏障完整性和功能性的評估的問題。對血腦屏障結(jié)構進行實時高分辨率成像，同時實時測量屏障的跨膜阻抗，通過多個維度評估屏障的緊密性和功能性，在現(xiàn)有的血腦屏障模型系統(tǒng)中幾乎是不可能的。
左上角的插圖顯示了血腦屏障的體內(nèi)模型，左下角的是新的體外模型，可以傾斜以產(chǎn)生液體流動。右邊的照片顯示了測試體外模型的平臺。(圖片: Andreas Hierlemann, Mario Modena / ETH Zurich)
如果這些挑戰(zhàn)中的每一個都是一只鳥，那么Mario Modena博士的平臺就是傳說中的石頭，可以把它們?nèi)繗⑺?。在Andreas Hierlemann教授的領導下，Mario Modena博士和他的同事們花了三年半的時間開發(fā)了開放式微流控三維血腦屏障模型。
為了在體外重構血腦屏障，研究小組采用了那些自然構成血腦屏障的人類腦血管內(nèi)皮細胞、人類星形膠質(zhì)細胞和人類外周細胞，并將它們組合在一個微流控平臺中。Mario Modena博士說："這種策略使我們幾乎完全復制了在人體中發(fā)現(xiàn)的三維血腦屏障結(jié)構。特殊的是，我們可以測量屏障對不同小分子化合物滲透性，同時通過高分辨率延時顯微鏡繪制出屏障的形態(tài)學變化。"為了實現(xiàn)對屏障完整性的原位多維度評估，研究人員在屏障一側(cè)的玻璃蓋玻片上沉積了完全透明的電極對細胞屏障的阻抗進行測量，該阻抗可以直接、無損傷的反應屏障的完整性。透明電極的使用，使得該平臺可以使用高分辨率顯微鏡對平臺上的血腦屏障進行實時成像，這對研究血腦屏障結(jié)構與功能關系非常重要。
為了模擬血液在腦血管內(nèi)的流動，研究人員在一種“蹺蹺板”上實現(xiàn)了兩端都有液體儲存器的微流控平臺。通過傾斜微流控平臺，由兩個存儲池的培養(yǎng)液由于重力差異觸發(fā)了流動，從而形成對微通道內(nèi)血管內(nèi)皮細胞的剪切力。Mario Modena解釋了這種設置的好處，"由于我們的平臺沒有使用任何泵，所以我們可以同時非常輕松的進行多個模型系統(tǒng)的實驗。"
這個平臺的研究最近發(fā)表在《Advanced Science》，研究人員展示并測試了他們的新體外血腦屏障模型。在研究中，將該屏障置于缺氧-缺葡萄糖的情況下，模擬人在發(fā)生中風時的情景。Mario Modena說："這些實驗使我們能夠引發(fā)屏障的快速變化，并證明該平臺的潛力。"
通過這項研究，Mario Modena博士和他的同事們還發(fā)現(xiàn)，屏障的阻抗甚至在屏障結(jié)構形態(tài)發(fā)生變化前就已經(jīng)降低了。這個發(fā)現(xiàn)可能表明在中風發(fā)生時，血腦屏障的損壞比影像學觀察到的損壞更早發(fā)生。
研究小組還觀察到，在靜態(tài)體外模型的對照實驗中，屏障模型比在動態(tài)環(huán)境中更具有滲透性。Mario Modena說："很明顯，由重力驅(qū)動的流動產(chǎn)生的剪切力促進了更緊密的屏障層的形成，這證實了流動對于體外血腦屏障模型構建是多么重要。"
Mario Modena博士和Andreas Hierlemann教授認為，這個新型血腦屏障模型適用于跨血腦屏障藥物篩選和中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關疾病新療法的開發(fā)，這對治療腦腫瘤或其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病非常有用。
Hierlemann教授指出，該模型可能改變未來體外疾病和藥物研究的進程。"我們平臺的優(yōu)勢在于，它非常容易適應其他器官模型，尤其是屏障模型。在模型中，屏障實時的完整性測量和高分辨率顯微鏡的結(jié)合可以為新的研究鋪平道路。工業(yè)界已經(jīng)表現(xiàn)出對這個新模型的興趣。"
一家知名制藥公司已經(jīng)在與研究人員進行接觸。
參考文獻：
Wei W, Cardes F, Hierlemann A, Modena MM: 3D In Vitro Blood-Brain-Barrier Model for Investigating Barrier Insults. Advanced Science, 13. Februar 2023, doi: external page10.1002/advs.202205752call_made
（來源：https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/02/achieving-a-better-understanding-of-how-the-blood-brain-barrier-works.html）
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