综述：利用集成3D生物打印技术与微流控芯片推进神经血管模型工程，用于研究神经血管疾病及神经退行性疾病的病理生理机制

《Bioprinting》：Advancing Neurovascular Model Engineering with Integrated 3D Bioprinting and Microfluidic Chips for Study of Neurovascular and Neurodegenerative Disease Pathophysiology

　　摘要：针对神经退行性疾病和神经血管疾病的模型构建对于理解复杂的生物过程至关重要，这些过程包括阿尔茨海默病、中风及胶质母细胞瘤的进展机制。传统的体外系统在模拟血脑屏障、内皮细胞与周围组织之间的复杂相互作用方面存在显著局限。本综述探讨了一种通过将3D生物打印技术与微流控芯片相结合来提升疾病建模技术的新策略。这种先进方法能够精确构建出可模拟神经血管单元生理微环境的动态组织结构，从而便于研究药物细胞毒性、细胞分化以及细胞间信号传导。此外，该平台在识别治疗靶点、设计用于精准检测疾病生物标志物的微型生物传感器嵌入式微电机械系统及纳米电机械系统方面也展现出巨大应用潜力。该集成平台还通过优化微通道几何结构、生物打印三维细胞架构以及改进微流控芯片内生物组分的空间排列等方式进一步提升了性能。这些工程创新提高了细胞存活率、细胞间及细胞与基质间的生理相互作用效率、营养物质与氧气的扩散能力，以及整体的仿生功能，充分体现了3D生物打印技术在提升设备性能、增强实验重复性以及提高神经血管疾病建模与治疗评估的生物学相关性方面的作用。该系统尤其适用于以可控且可重复的方式模拟阿尔茨海默病、中风及脑癌（胶质母细胞瘤）等神经血管疾病和神经退行性疾病的病理生理状态。通过临床前及临床联合药物试验，该系统已能生成有效数据，为制定有效的治疗方案提供支撑。此外，该研究还介绍了通过整合神经元、内皮细胞及邻近细胞类型来构建病理生理模型，以研究神经与微血管之间的相互作用。这一集成平台可作为评估药物疗效、解析疾病机制以及推动个性化医疗发展的有力工具。这些研究成果凸显了将3D生物打印技术与微流控技术相结合在开发高功能神经退行性疾病和神经血管疾病模型方面的巨大潜力，为转化医学研究带来了重要价值。

引言：人类神经血管单元由血脑屏障、内皮细胞、神经元、星形胶质细胞以及细胞外基质组成，它在维持中枢神经系统稳态方面发挥着关键作用。这一复杂系统的功能紊乱与多种神经系统疾病相关，包括神经血管疾病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病以及中风，还有脑癌（胶质母细胞瘤）的进展。然而，尽管这类疾病极为复杂，传统的体外模型却难以准确再现自然的神经血管环境，这严重阻碍了对疾病机制的理解、有效疗法的开发以及药物疗效的评估。为应对这些挑战，研究人员致力于开发更先进且更具生理相关性的模型，以填补传统体外系统与体内生物过程之间的差距。3D生物打印技术作为一种能够精确沉积活细胞和生物材料以构建类组织结构的创新技术，已经彻底改变了组织工程领域的发展格局。当3D生物打印技术与能够精准操控微通道内流体的微流控系统相结合时，便可以构建出具有动态功能的神经血管单元模型。对于研究神经血管疾病的病理生理机制而言，开发集成有微流控芯片的3D生物打印系统至关重要，因为它能够构建出能够模拟复杂神经血管微环境的仿生模型。该方法结合了3D生物打印技术在制造血管和神经结构方面的精确度与微流控技术所带来的动态流体环境，从而高度模拟体内条件，有助于实时研究细胞间相互作用、血脑屏障功能以及疾病进展过程。这类模型克服了传统2D培养模型和动物模型的局限性，为药物筛选、个性化医疗以及了解阿尔茨海默病、中风及脑癌等神经血管疾病提供了更具生理相关性和伦理优势的替代方案。微流控系统虽能在微观层面实现流体的精准控制，但其广泛应用仍面临诸多挑战：设备制造成本高昂且技术复杂，通道堵塞、气泡形成、样本吸附以及重复性差等问题都会影响其性能，而与检测系统的集成以及大规模生产也依然困难重重。此外，生物样本的差异性也可能降低分析精度。不过，通过标准化的制造方法、先进的生物相容性材料、减少污染的表面处理技术、改进用于气泡管理的芯片设计以及自动化操作，可以有效解决这些难题。发展可规模化的制造技术以及完善的质控体系，将进一步提升这些系统的可靠性、重复性以及商业化应用前景。因此，这两种技术的结合为构建高度可控、可重复且结构复杂的3D模型提供了有效途径，这类模型能够模拟人类神经血管环境的结构与功能，有助于深入理解不同细胞类型之间的相互作用，也为更精准地研究疾病机制提供了可能。

将3D生物打印技术与微流控芯片相结合是一种用于研究神经血管疾病病理生理机制的前沿方法，它能够构建出具备血管结构的仿生神经组织模型。该方法利用类似大脑细胞外基质的生物墨水以及能够模拟血流和营养梯度等动态生理条件的微流控芯片，例如，研究人员可以在微流控芯片内3D生物打印内皮细胞与星形胶质细胞的共培养物，以此模拟血脑屏障。该芯片能够精准控制剪切应力、氧气浓度及营养水平，从而模拟体内的血脑屏障功能。通过降低氧气供应量，可以诱发缺血等神经血管疾病状态，进而实现对其细胞反应（如炎症信号传导或屏障功能破坏）的实时分析。在胶质母细胞瘤研究中，3D生物打印模型可模拟含有内皮细胞的肿瘤微环境，而微流控芯片则用于模拟血液流动，这样便可以研究肿瘤细胞的侵袭行为及其与血管的相互作用，从而为针对肿瘤血管系统的治疗策略测试提供依据。在中风模型研究中，通过限制微流控通道内的氧气或营养供应来实现缺血状态的模拟，进而可以实时分析神经元对再灌注损伤的反应，并测试具有神经保护作用的药物。在阿尔茨海默病研究中，微流控芯片可用于模拟β-淀粉样蛋白斑块的积累，研究其对血脑屏障完整性和神经元功能的影响，进而为潜在治疗方法的探索提供线索。总体而言，这种集成化方法不仅加深了我们对神经血管疾病病理生理机制的理解，还能通过构建针对特定疾病的个性化模型，加速更有效治疗方案的研发进程。

在本综述中，我们重点研究了3D生物打印技术与微流控平台在神经血管疾病模型构建中的应用。我们探讨了如何利用这些技术重现血脑屏障、内皮细胞及周围组织的生理状态，同时模拟癌症和神经退行性疾病等病症所引发的病理状态。此外，我们还分析了这类模型在药物发现、个性化医疗以及疾病建模领域的重要作用，同时指出了当前存在的挑战及未来发展的方向。将3D生物打印技术与微流控芯片相结合用于疾病建模，是创建与疾病相关的体外模型方面的重大进步。由于这类模型能够精准控制细胞生长环境并实现复杂的细胞间相互作用，因此为揭示疾病机制提供了新视角，有望彻底改变临床前试验和药物研发的过程。本综述旨在全面阐述当前神经血管疾病模型技术的发展现状、应用场景及未来前景，强调其在推动生物医学研究及个性化医疗发展中的重要意义。通过结合3D生物打印技术与微流控技术，神经血管疾病模型的构建取得了显著进展，为模拟血脑屏障及周围组织内的复杂相互作用提供了强大的技术平台。这类先进的模型不仅能够更准确地呈现神经血管疾病和神经退行性疾病的病理生理环境，还为研究诸如阿尔茨海默病、中风及脑癌（胶质母细胞瘤）等疾病进展背后的特定机制提供了理想的研究平台。图1（A）展示了通过整合微流控芯片来推进3D生物打印技术应用的进展情况，通过优化集成微流控系统的设计，便可充分利用其各项优势。这种集成型微流控芯片非常适合用于检测药物细胞毒性、研究细胞分化与细胞间信号传导，以及应用生物传感器嵌入式的微电机械系统和纳米电机械系统。图1（B）则展示了阿尔茨海默病、中风及脑肿瘤（胶质母细胞瘤）等神经血管疾病和神经退行性疾病模型的应用场景、优势与不足。这些经过生物打印技术构建的集成微流控系统能够精准控制细胞生长环境，从而提升脑组织模型的构建质量。它们通过模拟神经细胞、血管细胞及肿瘤细胞之间的复杂相互作用，有助于研究疾病机制及治疗反应。这些技术的结合不仅提升了模型的仿生程度，还能实现更准确的疾病建模，进而促进针对神经系统疾病和脑肿瘤的靶向治疗方法的研发。通过整合肿瘤细胞、内皮屏障以及动态微流控系统，可以构建出功能极为强大的模型，用于评估药物效果、了解疾病进展趋势并探索新的治疗策略。3D生物打印技术所构建的神经退行性疾病和神经血管疾病模型，其应用范围从基础研究延伸至临床领域，在个性化医疗中发挥着重要作用，可为药物测试和治疗效果评估提供针对患者个体特征的模型。

尽管该领域已取得显著进展，但仍存在一些挑战，比如需要进一步优化生物墨水成分、开发更为先进的微流控平台，以及整合多种细胞类型以更精准地再现人类神经血管环境的复杂性。随着研究的不断深入，这些挑战有望得到解决，进而形成更加可靠且具有预测能力的模型，为药物研发、疾病理解以及临床应用带来革命性变革。总之，3D生物打印技术与微流控技术的结合为神经血管疾病建模技术的发展带来了巨大希望。通过持续的技术创新，这些平台将助力构建更精准的疾病模型、优化药物发现流程，并推动新型治疗方法的研发，最终改善神经系统疾病患者的预后。神经血管疾病建模的未来充满希望，为研究人员和临床医生提供了利用这些技术提升人类健康水平的宝贵机遇。

片段摘录：
1. 3D微流控芯片上神经血管模型在检测神经炎症中的作用：如图2.A所示，神经血管单元是由血管细胞（内皮细胞、周细胞和血管平滑肌细胞）、胶质细胞（星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞）以及神经元共同构成的复杂结构[54]。内皮细胞在脑部毛细血管中形成血脑屏障，周围环绕着周细胞和星形胶质细胞的足突，而细胞外基质则构成基底膜。这些组分与神经元一起构成了完整的神经血管单元结构。
2. 3D生物打印技术与微流控芯片在神经血管模型构建中的整合：将3D生物打印技术与微流控技术相结合，已成为构建具有生理相关性的神经血管模型的一种极具变革意义的策略。传统的二维细胞培养模型和动物模型往往无法准确再现人类神经血管单元的复杂结构及其动态微环境，而后者包含神经元、星形胶质细胞、内皮细胞、周细胞以及细胞外基质等多种成分。
3. 3D生物打印技术与微流控平台在阿尔茨海默病、中风及脑癌疾病建模中的应用：将3D生物打印技术与微流控平台相结合，为推进疾病建模工作带来了巨大潜力，尤其是在阿尔茨海默病等神经退行性疾病以及中风和脑癌等脑血管疾病的研究中。这些先进技术能够帮助构建更准确的体外模型，精准模拟人脑的复杂结构，从而为药物发现、治疗方案研发以及个性化医疗提供有力支持[163, 164, 165]。
4. 微流控技术面临的挑战及3D生物打印与微流控平台发展的未来方向：将微流控平台与3D生物打印技术相结合，为构建复杂的神经血管疾病和神经退行性疾病模型提供了一种可行方案。然而，要打造出具有临床应用价值且生理特征高度真实的模型，仍需克服多项挑战[183, 184]。为支撑神经元和血管结构，基于水凝胶的生物墨水需要在生物相容性、打印性能以及机械稳定性之间取得平衡，因此生物材料的选择至关重要。结论与未来展望总之，将微流控芯片技术与3D生物打印相结合，为研究神经血管疾病及神经退行性疾病提供了创造生理上精确的神经血管模型的创新方法。通过这种技术融合，血管和神经元成分可以精确地空间排列，从而更易于重现与特定疾病相关的病理生理机制、神经血管相互作用以及血脑屏障的功能动态。这类模型更为精准且贴近实际情况。利益冲突声明作者声明没有利益冲突。出版许可无需申请。数据可用性无需说明。CRediT作者贡献说明Minjun Ahn：可视化、方法学、正式分析、数据整理。Won-Woo Cho：可视化、验证、监督、方法学、研究、正式分析、数据整理、概念设计。Byoung Soo Kim：可视化、验证、监督、概念设计。Arvind Kumar Shukla：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法学、研究、正式分析、数据整理、概念设计。伦理审批与参与同意书无需申请。利益冲突声明? 作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Byoung Soo Kim表示获得了釜山国立大学的财政支持，同时还与该校存在包括非财政支持在内的其他关系，此外其还有一项专利正在申请中。若有其他作者，他们也声明没有已知的财务利益或个人关系上的冲突。致谢无。Arvind Kumar Shukla|Won-Woo Cho|Minjun Ahn|Sandhya Shukla|Adarsha Mahendra Upadhyay|Arulkumar Nagappan|Raj Kumar Mongre|Byoung Soo Kim韩国梁山市50612，釜山国立大学生物医学融合工程系