循环系统和神经系统之间的屏障已被证明是极其复杂的。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发了一个更现实的模型，用于更好地探索脑瘤等中枢系统疾病的新疗法。该研究最近发表在《Advanced Science》，中国博士研究生魏巍作为第一作者。
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影响，ETH研究人员开发了一个新的体外模型。(图片: Gunilla Elam / 科学图片库)
Mario Modena是一名在ETH生物工程实验室工作的博士后。如果他要向一个11岁的孩子解释他关于血脑屏障的研究，他会说："血脑屏障是保护我们的中枢神经系统不受血流中有害物质影响的墙，这道墙很重要，因为它能阻止坏人进入大脑。如果大脑受损或生病，墙壁上就会出现洞。有时，这种洞实际上是有用的，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持这堵墙，能在可控的突破它，并再次修复它。"
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。为了发现这个屏障是如何工作的，科学家们经常在活体动物上进行实验。除了这种实验相对昂贵之外，动物细胞可能只提供了人体中发生的部分情况。此外，还有一些批评者质疑动物试验的基本有效性。另一种方法是以实验室培养的人类细胞为基础进行实验。
许多体外模型使用血管内皮细胞以相对简化的方式重建了血脑屏障，但是这种方法不能代表人类系统的复杂结构，并且忽略了例如各种细胞类型之间的交流。此外，许多模型是静态的，没有考虑细胞在体内暴露在血液流动产生的剪切应力。对于现有模拟体内流动条件的动态体外模型，几乎都需要复杂的泵，使得系统操作复杂。
除了这些挑战，还有对血脑屏障完整性和功能性的评估的问题。对血脑屏障结构进行实时高分辨率成像，同时实时测量屏障的跨膜阻抗，通过多个维度评估屏障的紧密性和功能性，在现有的血脑屏障模型系统中几乎是不可能的。
左上角的插图显示了血脑屏障的体内模型，左下角的是新的体外模型，可以倾斜以产生液体流动。右边的照片显示了测试体外模型的平台。(图片: Andreas Hierlemann, Mario Modena / ETH Zurich)
如果这些挑战中的每一个都是一只鸟，那么Mario Modena博士的平台就是传说中的石头，可以把它们全部杀死。在Andreas Hierlemann教授的领导下，Mario Modena博士和他的同事们花了三年半的时间开发了开放式微流控三维血脑屏障模型。
为了在体外重构血脑屏障，研究小组采用了那些自然构成血脑屏障的人类脑血管内皮细胞、人类星形胶质细胞和人类外周细胞，并将它们组合在一个微流控平台中。Mario Modena博士说："这种策略使我们几乎完全复制了在人体中发现的三维血脑屏障结构。特殊的是，我们可以测量屏障对不同小分子化合物渗透性，同时通过高分辨率延时显微镜绘制出屏障的形态学变化。"为了实现对屏障完整性的原位多维度评估，研究人员在屏障一侧的玻璃盖玻片上沉积了完全透明的电极对细胞屏障的阻抗进行测量，该阻抗可以直接、无损伤的反应屏障的完整性。透明电极的使用，使得该平台可以使用高分辨率显微镜对平台上的血脑屏障进行实时成像，这对研究血脑屏障结构与功能关系非常重要。
为了模拟血液在脑血管内的流动，研究人员在一种“跷跷板”上实现了两端都有液体储存器的微流控平台。通过倾斜微流控平台，由两个存储池的培养液由于重力差异触发了流动，从而形成对微通道内血管内皮细胞的剪切力。Mario Modena解释了这种设置的好处，"由于我们的平台没有使用任何泵，所以我们可以同时非常轻松的进行多个模型系统的实验。"
这个平台的研究最近发表在《Advanced Science》，研究人员展示并测试了他们的新体外血脑屏障模型。在研究中，将该屏障置于缺氧-缺葡萄糖的情况下，模拟人在发生中风时的情景。Mario Modena说："这些实验使我们能够引发屏障的快速变化，并证明该平台的潜力。"
通过这项研究，Mario Modena博士和他的同事们还发现，屏障的阻抗甚至在屏障结构形态发生变化前就已经降低了。这个发现可能表明在中风发生时，血脑屏障的损坏比影像学观察到的损坏更早发生。
研究小组还观察到，在静态体外模型的对照实验中，屏障模型比在动态环境中更具有渗透性。Mario Modena说："很明显，由重力驱动的流动产生的剪切力促进了更紧密的屏障层的形成，这证实了流动对于体外血脑屏障模型构建是多么重要。"
Mario Modena博士和Andreas Hierlemann教授认为，这个新型血脑屏障模型适用于跨血脑屏障药物筛选和中枢神经系统相关疾病新疗法的开发，这对治疗脑肿瘤或其他中枢神经系统疾病非常有用。
Hierlemann教授指出，该模型可能改变未来体外疾病和药物研究的进程。"我们平台的优势在于，它非常容易适应其他器官模型，尤其是屏障模型。在模型中，屏障实时的完整性测量和高分辨率显微镜的结合可以为新的研究铺平道路。工业界已经表现出对这个新模型的兴趣。"
一家知名制药公司已经在与研究人员进行接触。
参考文献：
Wei W, Cardes F, Hierlemann A, Modena MM: 3D In Vitro Blood-Brain-Barrier Model for Investigating Barrier Insults. Advanced Science, 13. Februar 2023, doi: external page10.1002/advs.202205752call_made
（来源：https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/02/achieving-a-better-understanding-of-how-the-blood-brain-barrier-works.html）
