更好地了解血脑屏障的工作原理

到目前为止，事实证明，使用模型研究将循环系统与神经系统分开的屏障要么是有限的，要么是极其复杂的。苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种更逼真的模型，该模型也可用于更好地探索脑肿瘤的新疗法。

为了更好地了解血脑屏障如何保护我们的中枢神经系统免受血液中有害物质的侵害，ETH 研究人员开发了一种新的体外模型。

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 岁的孩子解释他对血脑屏障（保护我们的中枢神经系统免受血液中有害物质侵害的屏障）的研究，他会说，“这道屏障很重要，因为它阻止坏人进入大脑。” 他说，如果大脑受损或生病，墙上就会出现洞。有时，这些孔实际上很有用，例如，可以为大脑提供急需的药物。“所以我们试图了解的是如何维护、突破并再次修复这堵墙。”

从医学角度来看，这堵墙也很重要，因为许多中枢神经系统疾病都与血脑屏障受损有关。为了发现这种屏障是如何工作的，科学家们经常对活体动物进行实验。除了此类实验相对昂贵之外，动物细胞可能只能提供人体中正在发生的部分情况。此外，还有一些批评者质疑动物试验的基本有效性。另一种方法是在实验室培养的 人体细胞上进行实验。

细胞间通讯在很大程度上被忽视了

许多体外模型的问题在于它们使用血管壁细胞（内皮细胞）以相对简单的方式重建了血脑屏障。这种方法无法代表人体系统的复杂结构，并且忽略了例如各种细胞类型之间的通信。此外，许多这些模型是静态的。换句话说，细胞漂浮在静止不动的悬浮液中，这意味着不考虑细胞在体内暴露的 流体流动或剪切应力。

也有模拟体内流动条件的动态体外模型，但这里的问题是它们所需的泵使实验设置相当复杂。除了所有这些挑战之外，还有测量问题：实时拍摄血脑屏障结构变化的高分辨率图像，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紧密性和松紧度。

左上角的插图显示了血脑屏障的体内模型，底部的插图显示了倾斜以产生液体流动的新体外模型。右边的照片显示了测试体外模型的平台。图片来源：Andreas Hierlemann、Mario Modena / ETH Zurich

一石多鸟

如果这些挑战中的每一个都是一只鸟，那么摩德纳的平台就是众所周知的杀死所有挑战的石头。在 Andreas Hierlemann 的领导下，Modena 和他的同事花了三年半的时间开发了开放式微流体 3D 血脑屏障模型。

为了重建屏障，研究小组采用了天然构成血脑屏障的那些细胞类型——微血管内皮细胞、人类星形胶质细胞和人类周细胞——并将它们组合在一个平台中。“这种策略使我们能够几乎完全复制人体中发现的 3D 细胞结构，”莫德纳说。“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将形态变化映射到屏障。”

为了促进这种双重行为，研究人员将完全透明的电极沉积在屏障两侧的玻璃盖玻片上，以测量其渗透性，这反映在穿过细胞屏障的电阻上。透明电极与其他类型的电极相比具有决定性优势，其他类型的电极包括可能干扰光学检测和高分辨率显微镜的金属薄膜或线结构。

“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带有储液器的微流体平台。然后重力触发流动，进而在细胞上产生剪切力。Hierlemann 解释了这种设置的好处：“由于我们没有使用任何泵，我们可以同时试验多个模型系统，例如在培养箱中，而不会增加设置的复杂性。”

在最近发表在《高级科学》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。他们使屏障受到氧气-葡萄糖剥夺的影响，就像有人中风时发生的那样。“这些实验使我们能够触发屏障的快速变化并展示该平台的潜力，”莫德纳说。

通过这项研究，莫德纳和他的同事们能够做的不仅仅是展示他们的新平台适合进行测量。他们还发现，屏障的电阻甚至在其发生形态变化之前就已经降低，使其更具渗透性。“这一发现可能与未来的研究相关，”莫德纳说。

该团队还观察到，在使用静态体外模型的对照实验中，屏障比新的动态设置更具渗透性。“很明显，由重力驱动的流动产生的剪切力促进了更致密的屏障层的形成，这证实了流动对于代表性体外模型的重要性，”莫德纳说。

Modena 和 Hierlemann 相信，他们的模型将使检测哪些分子能稳定屏障变得更容易，以及发现适合穿越屏障的化合物和方法，这将有助于治疗脑肿瘤。但 Hierlemann 指出，该模型还可能改变未来体外研究的进程。“我们平台的优势在于它很容易适应其他内皮细胞模型，其中屏障密封测量和高分辨率显微镜的结合可以为新研究铺平道路。”