在人類大腦和血液系統(tǒng)之間，有一種選擇性地阻止某些物質由血入腦的保護層，叫“血腦屏障”。就好比一個謹慎的看門人，站在大腦和它的循環(huán)系統(tǒng)之間，讓好的東西進來，阻止壞的東西入侵。但是這個看門人，也阻止了治療阿爾茨海默病或腦部腫瘤的試驗藥物進入大腦。

現(xiàn)在，由佐治亞理工學院團隊領銜一項研究，已經(jīng)設計出一種更深入地突破障礙的方法，目的是幫助藥物開發(fā)人員做到更好地讓試驗藥物進入大腦。他們在一塊芯片上培養(yǎng)了人類血腦屏障，比之前的芯片更真實地重現(xiàn)了它的生理機能。

圖 | 在芯片上新的血腦屏障中，星形膠質細胞（底部）生長更自然，功能更好。它們與它們上方的上皮細胞相接觸，健康的星形膠質細胞也有助于培養(yǎng)的其余部分更好地發(fā)揮作用。（來源：佐治亞理工大學/Kim實驗室/延世大學醫(yī)學院）

這種新芯片為屏障的核心部分，即稱為星形膠質細胞的腦細胞，設計了一個健康的環(huán)境。星形膠質細胞不是神經(jīng)元，而是神經(jīng)元與循環(huán)系統(tǒng)之間的中介。星形膠質細胞與內皮細胞相互作用，共同構成血腦屏障。

但星形膠質細胞特別挑剔，這是它們成為“看門人”的重要因素，同時也對生理上精細的培養(yǎng)提出了挑戰(zhàn)。這種新的芯片通過三維立體方式培養(yǎng)，而不是平面方式培養(yǎng)，從而滿足了星形膠質細胞的敏感性。

三維空間讓星形膠質細胞更自然地發(fā)揮作用，這改善了整個屏障模型，也讓培養(yǎng)的內皮細胞更好地發(fā)揮作用。新的芯片為研究人員提供了比以前的屏障模型更健康的血腦屏障功能。

星形膠質細胞中的“星形”

“你需要在健康狀態(tài)和體內平衡狀態(tài)下，在芯片上精確地模擬一個組織。如果我們不能建立健康狀態(tài)的模型，我們也就不能真正地建立疾病的模型，因為沒有精確的控制措施來測量它，”佐治亞理工學院喬治·伍德拉夫機械工程學院副教授，該研究的主要研究者 YongTae Kim 說。

圖 | 星形膠質細胞（白色）與脈管系統(tǒng)中的內皮細胞連接。右邊，aquaporin-4 表示用于交換水以及一些營養(yǎng)和廢物。（來源：佐治亞理工大學/Kim 實驗室/延世大學醫(yī)學院）

在新的芯片中，星形膠質細胞在三維空間中看起來更加自然，呈現(xiàn)出星形的形狀。相比之下，在平面培養(yǎng)基中，星形膠質細胞看起來像帶條紋的煎蛋。通過這種立體設置，該芯片為可靠的人類血腦屏障研究增加了可能性，但目前可供選擇的方法仍然很少。

“沒有任何一種動物模型能夠與人類血腦屏障的復雜功能相提并論。我們需要更好的人類模型?！盞im 說。

該研究團隊在近期的《自然通訊》（Nature Communications）雜志上發(fā)表了他們的研究結果。這項研究是由美國國立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health）資助的。Kim 創(chuàng)立了一家公司，計劃在未來大量生產(chǎn)這種新的芯片，用于學術和潛在的藥物研究。

挑剔、專橫的星形膠質細胞

大腦是身體中唯一配備有星形膠質細胞的部分，它們以自己獨特的方式調節(jié)營養(yǎng)吸收和清除廢物。

“根據(jù)大腦的要求，星形膠質細胞與血管系統(tǒng)實時合作，滿足大腦的需要，并打開大門，只讓那一點點水和營養(yǎng)物質進入?！毙切文z質細胞只獲取大腦需要的東西，而不會讓其他細胞進入。”Kim 說。

圖 | 芯片上的血腦屏障與芯片上的許多器官一樣小，但它為星形膠質細胞提供了許多在三維模式下展開的空間。（來源：佐治亞理工學院/ YongTae Kim 實驗室）

星形膠質細胞在細胞膜上形成一種叫做水通道蛋白 -4 的蛋白質結構，它與血管系統(tǒng)接觸，讓水分子進出，這也有助于清除大腦中的廢物。

“在以前的芯片中，未觀察到水通道蛋白-4的表達。該芯片是第一個。這可能對研究阿爾茨海默病很重要，因為水通道蛋白-4對清除大腦中分解的垃圾蛋白很重要?！?/p>

這項研究的共同作者之一、埃默里大學的 Allan Levey 博士是神經(jīng)醫(yī)學領域的知名研究人員，他對該芯片在解決老年癡呆癥方面的潛力感興趣。另一位同樣來自埃默里大學的 Tobey McDonald 博士也在研究小兒腦癌，他對這種芯片在研究潛在腦癌治療方法方面的可能性很感興趣。

健康的屏障

星形膠質細胞在芯片的三維培養(yǎng)中比在二維培養(yǎng)中表現(xiàn)出更少的由病理觸發(fā)的基因，從而顯示出更健康的跡象。

“二維培養(yǎng)的星形膠質細胞表達的LCN2水平明顯高于三維培養(yǎng)的。當我們在三維環(huán)境下培養(yǎng)時，它的含量只有原來的四分之一?！?/p>

更健康的狀態(tài)也使星形膠質細胞更能表現(xiàn)出免疫反應。

“當我們在三維環(huán)境中有意識地讓星形細胞進行病理性應激處理時，我們得到了更清晰的反應。在二維中，基態(tài)已經(jīng)不那么健康了，對病理壓力的反應也就不那么明顯了?！?/p>

納米顆粒輸送

在與藥物輸送相關的測試中，納米顆粒在與內皮細胞受體結合后穿過血腦屏障，從而使這些細胞吞噬這些顆粒，然后將它們輸送到自然環(huán)境下的人腦內部。這是內皮細胞與三維培養(yǎng)的星形膠質細胞連接時能夠更好地工作的部分原因。

“當我們抑制受體時，大多數(shù)納米顆粒無法進入。這種測試在動物模型中不起作用，因為動物和人類之間的跨物種差異?！薄斑@是一個例子，這種新的芯片可以讓你研究人類血腦屏障的潛在藥物傳遞，而這在動物模型中是做不到的。

來源：麻省理工科技評論