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培養皿中的定制化血腦屏障系統

 

 

血腦屏障是腦部毛細血管壁與神經膠質細胞形成的血漿與腦細胞之間的屏障和由脈絡叢形成的血漿和腦脊液之間的屏障。血腦屏障能夠讓血液循環中的人體生命必需的小分子物質例如氧分子和水分子等進入腦部,但是阻止大分子物質(多半是有害的或者不屬于腦部的)由血液進入腦組織。

但是在患神經系統疾病的人(例如肌萎縮側索硬化和亨廷頓病)中血腦屏障往往存在異常,阻止腦部功能和活動必需的某些生物分子通過屏障進入腦部。而且血腦屏障同時使得某些治療藥物分子很難到達它們的靶器官—腦部。

爲了幫助解決上述問題以及其他可能的應用,研究者現在可以在生物芯片上“種植”血腦屏障,如下圖所示:

 

Credit: Vatine et al, Cell Stem Cell, 2019

 

拍攝的高清圖片上可以看到血腦屏障的一些組成細胞。這些細胞主要是內皮樣細胞,與腦部的微細的血管外包裹的細胞極其相似,以及腦部神經元細胞的支持細胞—星形膠質細胞(圖片中綠色部分),星形膠質細胞可以幫忙調節通過血腦屏障的血流量。

 

其實類似的類器官芯片已經有見報道,但這款新的血腦屏障芯片與衆不同的地方在于,它是通過誘導性多功能幹細胞(iPSC)結合芯片工程技術構建的。誘導性多功能幹細胞(iPSC)來自個體患者的血液標本,所以使得定制個體化的血腦屏障芯片成爲可能。

 

圖片來源:網絡

 

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。

 

構建的血腦屏障平台另外獨特的地方在于其精細的微流控芯片技術,用的芯片技術由波士頓的Emulate公司提供。芯片模擬還原了人體的生理狀態,使得構建的血腦屏障能夠盡量發揮類似在體內的作用和功能。

 

芯片中的通道設計使得研究人員可以在屏障的一側循環腦脊液,而在另一側循環血液,以創造一個具有完全功能的組織模型。血腦屏障芯片同時也展示出類似人體內屏障的電阻和通透性,甚至還可以阻止某些藥物分子從血液進入腦部。

 

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,該項目組的研究人員計劃構建肌萎縮側索硬化和帕金森病的血腦屏障芯片。因爲這些芯片與動物模型相比,能更精確的模擬人體的血腦屏障,能加速某些非常具有潛力的新藥的研發過程。Svendsen提示神經系統疾病患者未來某天可能定制屬于自己的個性化的血腦屏障,以篩選最適合的治療藥物,而這是個令所有人都非常期待的場景。