Микроуправляемый гематоэнцефалический барьер

Кроваво - мозговой барьер (BBB - это селективный барьер, который защищает мозг и центральную нервную систему (ЦНС), поддерживая стабильную внутреннюю среду. Он состоит из эндотелиальных клеток, периферических клеток, глиальных клеток и внеклеточного матрикса, обеспечивая целостность барьера. Гемоэнцефалическая дисфункция, связанная с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, может привести к попаданию вредных веществ в центральную нервную систему. Современная модель гематоэнцефалического барьера позволяет лучше изучать эти заболевания, разрабатывая целевую терапию и выявляя потенциально нейротоксичные чужеродные вещества, что является важным шагом вперед в области нейробиологии и фармакологии.^[1-2]А.

Традиционные исследования гематоэнцефалического барьера (Методы BBB, такие как эксперименты с камерами Transwell и модели на животных, имеют ограничения, такие как чрезмерное упрощение, плохая физиологическая корреляция и видовые различия.

Микроуправляемый гематоэнцефалический барьер (МВБ) решает эти проблемы с помощью инженерных систем, имитирующих функцию гематоэнцефалического барьера в организме. Эти модели могут точно контролировать окружающую среду, поддерживать совместную культуру клеток, накладывать напряжения сдвига и копировать условия окружающей среды человеческого мозга. Микроуправляемые гематоэнцефалические барьеры позволяют получать изображения с высоким разрешением, осуществлять внутриклеточный мониторинг и анализ внеклеточных реакций, что делает их идеальными инструментами для изучения заболеваний центральной нервной системы, терапевтического скрининга и нейротоксических тестов. Они открывают огромный потенциал для продвижения исследований гематоэнцефалического барьера.^[2]А.

Идеальный гематоэнцефалический барьер (BBB) Модель должна воспроизводить ключевые характеристики гематоэнцефалического барьера в организме, включая:

лВнутренние клетки (ECs) Формирование 3D - подобных кровеносных сосудов

лМежклеточное взаимодействие

лСтрессовое напряжение, создаваемое потоком жидкости на эндотелиальные клетки

лТонкий и пористый слой (БМ)

Экстракорпоральное моделирование гематоэнцефалического барьера.иметьОдним из сложных аспектов является точное воспроизведение естественной мембраны основания, которая играет ключевую роль в процессах дифференциации клеток, внутреннего равновесия, поддержания тканей и структурной поддержки. В идеале искусственные мембраны основания должны быть изготовлены из биосовместимых материалов толщиной около 100 нанометров.

1 Микропроцессорное оборудование

1.1 Дизайн сэндвичей.

Этот микрогидродинамический гематоэнцефалический барьер характеризуется двумя верхними и нижними слоями полидиметилсилоксана (PDMS) канал, разделенный пористой мембраной посередине. Обычно используются поликарбонатные пленки с апертурой от 0,2 до 3 микрон, аналогичные системе Transwell. Эндотелиальные клетки обычно вводятся в верхние каналы, в то время как периферические клетки, астроциты или другие клетки мозга культивируются в нижних каналах.

Другие прозрачные мембраны, такие как тетрафторэтилен, позволяют получать изображения с высоким разрешением и отслеживать биомолекулярную транспортировку и рост клеток в реальном времени. Кроме того, инвертированная конфигурация вакцинации клеток, то есть культивирование эндотелиальных клеток в трехмерной сосудистой структуре нижнего канала (ECs）， Одновременная вакцинация периферических и астроглиальных клеток в верхних каналах усиливает наблюдение за межклеточными взаимодействиями.

рисунок1 Дизайн сэндвичей с гематоэнцефалограммой на чипе. （А) Карта разложения чипа, включая верхнюю и нижнюю части,

Каждый содержит восемь каналов, состоящих из пористости Пленка PDMS разделена. (В) Схема проектирования двухуровневого оборудования,

Характеристики две одинаковые. Компоненты PDMS, один перевернут и склеены с другим. Показать восемь различных условий, созданных в двухуровневом устройстве^[2]

1.2 Параллельное проектирование

Два горизонтальных канала Микроканальная решетка PDMS разделена и заменяет традиционную поликарбонатную пленку микроцилиндрической « мембраной» на основе PDMS (промежуток 3 микрон)^[3]Эта конструкция может культивироваться совместно со звездчатыми глиями или опухолевыми клетками головного мозга и упрощает процесс сборки без дополнительной химической модификации. Плоская компоновка улучшает межклеточное взаимодействие и визуализацию.

Оборудование характеризуется наличием тканевого отсека с двумя кровеносными каналами с входными отверстиями жидкости по обе стороны, собранными на микроскопическом стекле с пластиковой трубкой для входа.

рисунок2 На чипе изображен гематоэнцефалический барьер.А. Схема, показывающая организационный отсек центра оборудования,

Окруженные двумя отдельными кровеносными каналами, жидкость входит в отверстие.В. Схема культивирования клеток в этой конструкции.

С. Оборудование, собранное на микроскопическом стеклянном листе с пластиковой трубкой (темно - синий), доступной для различных кровеносных каналов и тканевых перегородок^[3]А.

1.3 Дизайн трехмерной трубчатой структуры

традицияМодель MBB PDMS использует прямоугольные микроканалы, которые приводят к неравномерному потоку и неравномерному сдвигу, влияя на поведение эндотелиальных клеток. Чтобы улучшить эту проблему, некоторые модели используют цилиндрические микроканалы для равномерного сдвига, такие как микрососудистые трубки на основе 3D - коллагена (диаметр 75 - 150 мкм), которые точно контролируют диаметр трубы со скоростью потока жидкости и интегрируются в устройства с мкВБ.

рисунок3 Диаграмма микрососудистой системы мозга^[4]

2 Экспериментальная установка для чипирования гематоэнцефалического барьера

Экспериментальная установка гематоэнцефалического барьера на чипе:

1. Контроллер потока OB1

2. коллектор

3. Клапан рециркуляции MUX

4. Распределительный клапан MUX

5. Провод MUX

6. тройник / Двухходовой клапан

7. датчик расхода с микроуправлением

8. Соединения, трубопроводы и Рурские соединения

9. ЖК резервуар

10. Микроуправляемый чип для модели гематоэнцефалического барьера

11. Программное обеспечение для управления микропотоком

2.1 Преимущества устройства Elveflow

Контроллер давления OB1

лТочное управление потоком жидкостиА.OB1 использует пьезоэлектрический регулятор для быстрого и стабильного регулирования давления. Эта точность гарантирует, что среда микроконтроля потока может тщательно имитировать физиологические условия, что имеет решающее значение для точного воспроизведения динамических характеристик гематоэнцефалического барьера.

лДинамическая наполняемость:: Поддержание надлежащего напряжения сдвига в устройстве гематоэнцефалического барьера на чипе имеет решающее значение для функционирования эндотелиальных клеток.OB1 позволяет контролировать поток жидкости, осуществлять динамическую перфузию, моделировать условия кровотока в организме, тем самым усиливая физиологическую корреляцию модели.

2. Распределительный клапан MUX

лАвтоматическое последовательное введениеЭтот клапан позволяет программировать доставку различных реагентов, лекарств или питательных сред в чип гематоэнцефалического барьера. Эта автоматизация имеет решающее значение для динамических перфузионных экспериментов, которые тщательно имитируют условия в организме и повышают физиологическую актуальность модели.

3. Клапан рециркуляции MUX

лМоделирование условий физиологического теченияА.Устройства для рециркуляции MUX позволяют осуществлять точную и программируемую рециркуляцию жидкости, которая имеет решающее значение для воспроизведения напряжений сдвига и гидродинамики, испытываемых эндотелиальными клетками в гематоэнцефалическом барьере.

лКонтролируемая рециркуляция обеспечивает реальную модель кровотокаЭто важно для поддержания формы и функции эндотелиальных клеток.

лТестирование на наркотики и токсикологический скрининг:: Введение лекарств или наночастиц контролируемым образом и их рециркуляция для изучения их взаимодействия со временем с гематоэнцефалическим барьером.

лДинамическая система совместного культивирования:: Он обеспечивает непрерывную перфузию, которая имеет решающее значение для жизнеспособности клеток и поддержания тесных связей.

лСнижение риска загрязнения: замкнутая рециркуляциябольшойОграничивает риск загрязнения, что является общей проблемой в открытых перфузионных системах.

3 Области применения

3.1 Моделирование неврологических заболеваний

лОпухоль мозгаКроваво - мозговой барьер (Модель BBB была использована для изучения взаимодействия клеток, начинающих глиому кровеносных сосудов (ключевой фактор проникновения опухоли головного мозга) в их среде. Кроме того, использование экстракорпоральной системы гематоэнцефалического барьера позволяет лучше понять механизм метастазирования опухолей головного мозга. Интегрируя сферы глиобластомы из источников пациентов в микросистемы управления потоком, эти модели обеспечивают эффективную платформу для скрининга лекарств с мощной способностью убивать опухоли.

лНеврологические расстройстваВоспалительные реакции при неврологических поражениях вызваны скоплением и миграцией иммунных клеток (включая нейтрофилы, глиальные клетки и астроциты). В моделях неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, нейровоспаление вызвано активацией микроглий и астроцитов. Активированные иммунные клетки высвобождают воспалительные цитокины, включая факторы некроза опухоли (TNF) - альфа и интерлейкины (IL) - 1. Во время этой реакции цитокины и иммунные клетки разрушают гематоэнцефалический барьер (BBB), часто вызывая проникновение крови в мозг, что приводит к необратимому повреждению мозговой ткани.

3.2 Нейробиологические исследования

Контроль микросреды вокруг нейронных клеток, включая межклеточные и внеклеточные матрицы (Взаимодействие между ECM (ECM) может создать микросреду, похожую на внутреннюю, для дифференциации нервных стволовых клеток в компоненты нервной системы.

Сочетание методов микроконтроля потока с нейробиологией позволяет решить некоторые технические проблемы в этой области, такие как культивирование центральной нервной системы (ЦНС).CNS) Нейроны, разделение аксонов, картирование культивируемых нейронов, руководство ростом аксонов для моделирования повреждений аксонов, а также изучение процессов местного синтеза белков в аксонах, регенерации аксонов и их транспортировки.

3.3 Разработка лекарственных средств вне организма

Система гематоэнцефалического барьера на чипе обеспечивает платформу для оценки проницаемости лекарств через гематоэнцефалический барьер в динамических и физиологических условиях, устраняя ограничения традиционных моделей in vitro. Они могут оценивать наночастицы, содержащие препараты, включая трансцитоз, проводимый рецепторами, и оптимизацию наноносителей для целевой доставки центральной нервной системы. Реплицируя клеточную сложность гематоэнцефалического барьера, эти модели помогают тестировать нейропротекторы и антитела в определенных условиях заболевания. Интегрированные датчики позволяют получить представление о токсичности наркотиков, нейронной активности и синаптическом поведении. Используйте клетки из источников пациентов, которые поддерживают персонализированный скрининг лекарств и исследования конкретных заболеваний^[4]А.

3.4 Исследование оси мозга на чипе

Многоорганные чипы обеспечивают платформу для изучения взаимодействия мозга с другими органами в контексте болезней и разработки лекарств. Они способны изучать сложные состояния, такие как метастазы мозга при раке легких, в которых могут быть скопированы и подробно изучены динамические процессы. Эти чипы также помогают выявить микробиом - Кишечный - канал связи в оси головного мозга, разъясняющий, как здоровье кишечника влияет на неврологические заболевания. Моделируя взаимосвязанные системы органов, такие как печень - ось мозга при гепатоэнцефалопатии или иммунная регуляция через ось мозг - селезенка, полиорганные чипы обеспечивают комплексный подход к пониманию системных заболеваний. Их способность имитировать динамическую физиологическую среду способствовала новаторским исследованиям в области межорганной коммуникации и развития терапии.

Список литературы

1. Х. Чэнь; С. Лю; Л. Муок; C. Zeng и Y. Li, Динамическая 3D-модель BBB на чипе, разработка и применение в неврологических заболеваниях, клетках, 2021

2. М. Захарова; М. А. Пальма-ду-Кармо; М. В. ван дер Хельм; H. Le-The; М. Н. С. де Грааф; В. Орлова; А. ван ден Берг; А. Д. ван дер Меер; K. Broersen и L. I. Segerink, Мультиплексный орган-на-чип кровеномозгового барьера, Лаборатория на чипе, 2020.

3. С. П. Деосаркар; Б. Прабхакарпандиан; Б. Ван; Дж. Б. Шеффилд; Б. Кринска и М. Ф. Киани, Новый динамический неонатальный кровеномозговый барьер на чипе, PlosOne, 2015

4. Дж.А. Ким; Г.Н. Ким; С-К. Им; С. Чун; J.Y. Kang и N.Choi, модель микрососудов мозга на основе коллагена in vitro с использованием трехмерного печатного шаблона, Biomicrofluidics, 2015

5. Х. Ван; Ю. Ху; Х. Ай; Дж. Сон; Б. Сю; Х. Мэн; Y. Zhang и S. Zhang, Potential applications of microfluidics based blood-brain barrier (BBB)-on-chips for in vitro drug development, Biomedicine & Pharmacotherapy, 2020 (Потенциальные применения микрофлуидного барьера крови-мозга (BBB)-на чипах для разработки лекарств in vitro, Биомедицина и фармакотерапия,