更好地理解血脑屏障的工作原理

到目前为止，使用模型来研究将循环系统与神经系统分开的屏障已被证明是有限的或极其复杂的。苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一个更现实的模型，也可用于更好地探索脑肿瘤的新疗法。

　　

Mario Modena是苏黎世联邦理工学院生物工程实验室的博士后。如果他要向一个11岁的孩子解释他关于血脑屏障的研究——这是一堵保护我们的中枢神经系统不受血流中有害物质伤害的墙，他会说:“这堵墙很重要，因为它可以阻止坏人进入大脑。”他说，如果大脑受损或生病，墙上就会出现洞。有时，这些洞实际上是有用的，例如，为大脑提供急需的药物。“所以我们试图了解的是如何维护这堵墙，突破它，再次修复它。”

从医学角度来看，这堵墙也很重要，因为中枢神经系统的许多疾病都与血脑屏障的损伤有关。为了发现这种屏障是如何工作的，科学家们经常在活体动物身上进行实验。除了这类实验相对昂贵之外，动物细胞可能只能提供人体活动的部分情况。此外，还有一些批评者，他们质疑动物实验的基本有效性。另一种选择是在实验室培养的人类细胞上进行实验。

细胞与细胞间的通讯被忽视了

许多体外模型的问题在于，它们使用血管壁细胞(内皮细胞)以一种相对简单的方式重建血脑屏障。这种方法不能代表人类系统的复杂结构，而且忽视了，例如，各种细胞类型之间的通信。此外，许多模型都是静态的。换句话说，细胞漂浮在不移动的悬浮液中，这意味着不考虑流体流动或细胞暴露在体内的剪切应力。

也有动态体外模型来模拟体内的流动条件，但这里的问题是它们所需的泵使实验设置相当复杂。除了所有这些挑战，还有测量的问题:在实时拍摄血脑屏障结构变化的高分辨率图像的同时，测量屏障的电阻几乎是不可能的，这两者都反映了屏障的致密性和紧密性。

一举多得

如果每一个挑战都是一只鸟，摩德纳的平台将是一块众所周知的石头，杀死他们所有人。在Andreas Hierlemann的指导下，Modena和他的同事花了三年半的时间开发了开放微流体3D血脑屏障模型。

为了重建屏障，研究小组将那些自然构成血脑屏障的细胞类型——微血管内皮细胞、人类星形胶质细胞和人类周细胞——结合在一个平台上。Modena说:“这种策略使我们几乎完全复制了人体中发现的3D细胞结构。”“但真正不同寻常的是，我们可以测量屏障的渗透性，同时通过高分辨率延时显微镜绘制屏障的形态变化。”为了促进这一双重作用，研究人员在屏障两侧的玻璃盖上沉积了完全透明的电极，以测量其渗透性，这反映在细胞屏障的电阻上。与其他类型的电极相比，透明电极具有决定性的优势，其中包括可能干扰光学检测和高分辨率显微镜的金属薄膜或金属丝结构。

“不增加复杂性”

为了模拟流体在体内流动的方式，研究人员在一种跷跷板上实现了两端有流体储层的微流体平台。重力触发了这种流动，进而在细胞上产生剪切力。Hierlemann解释了这种设置的好处:“由于我们不使用任何泵，我们可以同时对多个模型系统进行实验，例如在培养箱中，而不会增加设置的复杂性。”

在最近发表在《先进科学》杂志上的一项研究中，研究人员展示并测试了他们新的体外血脑屏障模型。他们对屏障进行氧葡萄糖剥夺，就像中风时发生的那样。Modena说:“这些实验使我们能够触发屏障的快速变化，并展示了平台的潜力。”

制药公司已经表现出了兴趣

通过这项研究，Modena和他的同事们能够做的不仅仅是展示他们的新平台适合测量。他们还发现，甚至在它经历使其更具渗透性的形态变化之前，屏障的电阻就会降低。Modena说:“这一发现可能与未来的研究有关。”研究小组还观察到，在使用静态体外模型的对照实验中，屏障比在新的动态设置中更具渗透性。Modena说:“很明显，由重力驱动的流动产生的剪切力促进了更密集的阻挡层的形成，这证实了流动对代表性体外模型的重要性。”

Modena和Hierlemann相信他们的模型将更容易检测哪些分子稳定了屏障，以及发现适合跨越屏障的化合物和方法，这将有助于脑肿瘤的治疗。但Hierlemann指出，该模型也可能改变未来体外研究的进程:“我们平台的优势在于，它非常容易适应其他内皮细胞模型，其中屏障紧密性测量和高分辨率显微镜的结合可以为新研究铺平道路。”工业界对这种新模式表现出了兴趣。一家制药公司已经与研究人员取得了联系。

文章标题

3D In Vitro Blood-Brain-Barrier Model for Investigating Barrier Insults