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培养皿中的定制化血脑屏障系统

 

 

血脑屏障是脑部毛细血管壁与神经胶质细胞形成的血浆与脑细胞之间的屏障和由脉络丛形成的血浆和脑脊液之间的屏障。血脑屏障能够让血液循环中的人体生命必需的小分子物质例如氧分子和水分子等进入脑部,但是阻止大分子物质(多半是有害的或者不属于脑部的)由血液进入脑组织。

但是在患神经系统疾病的人(例如肌萎缩侧索硬化和亨廷顿病)中血脑屏障往往存在异常,阻止脑部功能和活动必需的某些生物分子通过屏障进入脑部。而且血脑屏障同时使得某些治疗药物分子很难到达它们的靶器官—脑部。

为了帮助解决上述问题以及其他可能的应用,研究者现在可以在生物芯片上“种植”血脑屏障,如下图所示:

 

Credit: Vatine et al, Cell Stem Cell, 2019

 

拍摄的高清图片上可以看到血脑屏障的一些组成细胞。这些细胞主要是内皮样细胞,与脑部的微细的血管外包裹的细胞极其相似,以及脑部神经元细胞的支持细胞—星形胶质细胞(图片中绿色部分),星形胶质细胞可以帮忙调节通过血脑屏障的血流量。

 

其实类似的类器官芯片已经有见报道,但这款新的血脑屏障芯片与众不同的地方在于,它是通过诱导性多功能干细胞(iPSC)结合芯片工程技术构建的。诱导性多功能干细胞(iPSC)来自个体患者的血液标本,所以使得定制个体化的血脑屏障芯片成为可能。

 

图片来源:网络

 

由Clive Svendsen, Los Angeles牵头的研究组,首先使用生化的方法将个体来源的白细胞诱导成iPSCs,转化成iPSCs后理论上就可以分化出任何想要的细胞类型。但是研究组用了两种不同的生化方法,使这些iPSCs 分别分化成内皮细胞和神经细胞,以模拟血脑屏障。

 

构建的血脑屏障平台另外独特的地方在于其精细的微流控芯片技术,用的芯片技术由波士顿的Emulate公司提供。芯片模拟还原了人体的生理状态,使得构建的血脑屏障能够尽量发挥类似在体内的作用和功能。

 

芯片中的通道设计使得研究人员可以在屏障的一侧循环脑脊液,而在另一侧循环血液,以创造一个具有完全功能的组织模型。血脑屏障芯片同时也展示出类似人体内屏障的电阻和通透性,甚至还可以阻止某些药物分子从血液进入脑部。

 

正如在《Cell Stem Cell》杂志里描述的,研究者已经利用一个亨廷顿病患者的iPSCs以及另一个患有遗传性的罕见认知障碍性疾病艾伦-赫恩登-达得利综合征的病人的iPSCs成功构建血脑屏障芯片。

 

而最近,该项目组的研究人员计划构建肌萎缩侧索硬化和帕金森病的血脑屏障芯片。因为这些芯片与动物模型相比,能更精确的模拟人体的血脑屏障,能加速某些非常具有潜力的新药的研发过程。Svendsen提示神经系统疾病患者未来某天可能定制属于自己的个性化的血脑屏障,以筛选最适合的治疗药物,而这是个令所有人都非常期待的场景。