一个谨慎的看门人站在大脑它的循环系统让好的进来，坏的出去，但是这个搬运工，叫血脑屏障也阻止了治疗疾病的试验药物，如阿尔茨海默氏症或者癌症进入大脑。现在，由佐治亚理工学院的研究人员领导的一个团队设计了一种更密切地研究这一障碍的方法，目的是帮助药物开发商做同样的事情。在一项新的研究中，研究人员在芯片上培养了人类血脑屏障，比之前的芯片更真实地再现了它的生理功能。
这种新芯片为屏障的中心成分设计了一个健康的环境，这是一种叫做星形胶质细胞的脑细胞，它不是神经元，而是神经元在循环系统中的中介。星形胶质细胞在人类大脑中与血管系统中的内皮细胞结合，作为血脑屏障与它们合作。
但星形胶质细胞是一个特别挑剔的伙伴，这使它们成为看门人系统的重要组成部分，但也对生理上准确的培养方式构成挑战。这种新型芯片通过三维培养而不是平面培养或二维培养来迎合星形胶质细胞的敏感性。3D空间允许星形胶质细胞更自然地发挥作用，这改善了整个屏障模型，也允许培养的内皮细胞更好地发挥作用。与之前的屏障模型相比，新芯片为研究人员提供了更健康的血脑屏障功能。
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“阿童木”在星形胶质细胞
“你需要能够密切模仿芯片上健康状态和内稳态的组织。如果我们不能为健康状态建模，我们也不能真正为疾病建模，因为我们没有精确的控制来衡量它，”佐治亚理工学院乔治·w·伍德拉夫机械工程学院(George W. Woodruff School of Mechanical Engineering)副教授、这项研究的首席研究员金永泰(YongTae Kim)说。
在新的芯片中，星形胶质细胞在3D空间中看起来甚至更自然，呈现出恒星状的形状，从而给它们起了“天文学”的名字。相比之下，在二维培养中，星形胶质细胞看起来像带有条纹的煎蛋。在这种3D环境下，芯片增加了对人类血脑屏障进行可靠研究的可能性，而目前在这方面的替代品很少。“没有一种动物模型能像人类血脑屏障那样发挥复杂的功能。我们需要更好的人体模型，因为已经成功进入动物大脑的实验药物在人体障碍上失败了。”
挑剔,专横的星形胶质细胞
大脑是身体唯一配备的部分星形胶质细胞它们以自己独特的方式调节营养吸收和废物清除。在大脑的要求下，星形胶质细胞与脉管系统实时合作，以满足大脑的需求，并打开闸门，只让那一点点水和营养物质进入大脑。星形胶质细胞只是去获取大脑需要的东西，而不让更多的其他东西进入，”Kim说。
星形胶质细胞在细胞膜上形成一种叫做水通道-4的蛋白质结构，这种结构与脉管系统相连，可以让水分子进出，也有助于清除大脑中的废物。“在之前的芯片中，没有观察到水通道蛋白4的表达。这是第一个芯片，”Kim说。“这对研究阿尔茨海默病可能很重要，因为水通道蛋白4对清除大脑中分解的垃圾蛋白很重要。”
该研究的共同作者之一、来自埃默里大学(Emory University)的艾伦·列维博士(Dr. Allan Levey)是神经医学领域一位被广泛引用的研究人员，他对芯片在治疗阿尔茨海默氏症方面的潜力很感兴趣。另一位是同样来自埃默里大学(Emory university)的托比·麦克唐纳(Tobey McDonald)博士，他研究儿童脑癌，并对这种芯片在研究潜在脑癌治疗方案中的应用可能性很感兴趣。
屏障作用健康
星形胶质细胞在芯片的3D培养中比在2D培养中更健康，因为它们表达的由病理触发的基因更少。2D培养的星形胶质细胞LCN2表达水平明显高于3D培养的星形胶质细胞。当我们用3D技术培养时，这个数字只有四分之一。”
更健康的状态也能使星形胶质细胞更好地表现出免疫反应。“当我们在3D培养中有意地面对病理应激的星形胶质细胞时，我们得到了更清晰的反应。在2D中，基态已经不太健康，对病理应激的反应也没有那么明显。这种差异可能会让3D文化在病理学研究中变得非常有趣。”
纳米颗粒交付
在与药物传递相关的测试中，纳米粒子在接触内皮细胞受体后穿过血脑屏障，内皮细胞会将纳米粒子吞没，然后将其运输到自然环境下的人脑内部。这是内皮细胞与3D培养的星形胶质细胞连接时工作得更好的部分原因。“当我们抑制这种受体时，大多数纳米粒子不会进入。这种测试不会在动物模型中起作用，因为动物和人类之间的跨物种不准确，”Kim说。“这是一个例子，说明了这种新芯片如何能让你研究人类血脑屏障潜在的药物输送，而这在动物模型中是做不到的。”
来源:佐治亚理工学院
