Кроваво - мозговой барьер (BBB) является селективным барьером, 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. Сейчас большинствоМодель 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 методы изучения гематоэнцефалического барьера (BBB), такие как эксперименты с камерами Transwell и модели на животных, имеют ограничения, такие как чрезмерное упрощение, плохая физиологическая корреляция и видовые различия.

Микроуправляемая модель гематоэнцефалического барьера (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.

Идеальная модель экстракорпорального гематоэнцефалического барьера (BBB) должна воспроизводить ключевые характеристики гематоэнцефалического барьера в организме, включая:

л Эндотелиальные клетки (ЭКС) образуют 3D - сосудистую структуру

л Межклеточное взаимодействие

л Стрессовое напряжение, создаваемое потоком жидкости на эндотелиальные клетки

л Тонкий и пористый слой базовой мембраны (BM)

Экстракорпоральное моделирование гематоэнцефалического барьера.Одним 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.

Эта конструкция микроуправляемого гематоэнцефалического барьера характеризуется верхним и нижним слоями полидиметилсилоксана (PDMS) канала, разделенного 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 клеточной вакцинации, то есть культивирование эндотелиальных клеток (ЭКС) в трехмерной сосудистой структуре нижнего канала, а также введение периферических и астроцитов в верхний канал, усиливает наблюдение за межклеточными взаимодействиями.

Диаграмма 1Дизайн сэндвичей с гематоэнцефалограммой на чипе. (А) Карта разложения чипа, включая верхнюю и нижнюю части,

Каждый содержит восемь каналов, разделенных пористой пленкой PDMS. (В) Схема проектирования двухуровневого оборудования,

Характерно, что два одинаковых компонента PDMS, один перевернут и склеены с другим. Показать восемь различных условий, созданных в двухуровневом устройстве[2]

1.2 Параллельное проектирование

Два горизонтально расположенных канала разделены микроканальной решеткой PDMS, заменив традиционную поликарбонатную пленку микроколонной « мембраной» на основе PDMS (с зазором 3 мкм).[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 промежуточной тканевой перегородки с двумя кровеносными каналами с входными отверстиями жидкости по обе стороны, собранными на микроскопическом стекле с пластиковой трубкой для входа.

Диаграмма 2На 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

Традиционная модель 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.

Диаграмма 3Диаграмма 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. Трехходовой / 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

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

л Динамическая 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

л Автоматическое 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

л Моделирование условий физиологического теченияУстройства 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.

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

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

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

л Снижение риска загрязнения:: замкнутая рециркуляция значительно снижает риск загрязнения, что является общей проблемой в открытых системах перфузии.

3 Области применения

3.1 Моделирование неврологических заболеваний

л Опухоль мозга:: Модель гематоэнцефалического барьера (BBB) используется 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.

л Неврологические 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 выделяют воспалительные цитокины, в том числе факторы некроза опухоли (TNF) - альфа и интерлейкоциты (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 взаимодействие между клетками, а также между клетками и внеклеточной матрицей (ECM) в рамках платформы микроконтроля потока, 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 нейронов центральной нервной системы (ЦНС), разделение аксонов, картирование культивируемых нейронов, руководство ростом нейронов 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 высокое качество для оценки проницаемости лекарств через гематоэнцефалический барьер в динамических и физиологических условияхПлатформа решает 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 превосходную 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 пути коммуникации в микробиоме - кишечнике - оси мозга, разъясняя, 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,