三維體外血腦屏障模型研究屏障損傷

供稿人：王森、王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

血腦屏障(BBB)的破壞與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。體外血腦屏障模型能夠研究屏障對外部損傷的反應(yīng)。近期，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Modena和Wei Wei等人提出了一種基于人源細胞的新型三維BBB平臺，包含人腦內(nèi)皮細胞、原代周細胞和星形膠質(zhì)細胞，平臺集成了透明電極，可用于高分辨率實時監(jiān)測屏障緊密性。利用該平臺證明了氧-葡萄糖剝奪(OGD)條件下可重現(xiàn)缺血損傷的特征：內(nèi)皮細胞肌動蛋白結(jié)構(gòu)的快速重塑和隨后的形態(tài)學(xué)改變。高分辨率實時成像顯示，在OGD應(yīng)用過程中，內(nèi)皮層形成了大的肌動蛋白應(yīng)力纖維束，最終導(dǎo)致細胞收縮和屏障破裂。同時電測量表明，在應(yīng)力纖維出現(xiàn)之前，屏障電阻迅速下降，這表明在劇烈的形態(tài)變化出現(xiàn)之前，屏障功能已經(jīng)受到損害。通過多種缺血相關(guān)評價結(jié)果的綜合對比證實了該體外血腦屏障平臺可概括主要的屏障功能，并可用于研究外部刺激下血腦屏障的快速重構(gòu)過程。相關(guān)論文發(fā)表在Advanced Science雜志上。

如圖1所示，本研究所開發(fā)的三維血腦屏障平臺具有以下優(yōu)勢：（1）具備仿生的三維多細胞BBB結(jié)構(gòu)，包括由貼壁的內(nèi)皮細胞組成血管流體通道，內(nèi)皮細胞外側(cè)的包含星形膠質(zhì)細胞和周細胞的3D水凝膠，以模擬腦細胞外基質(zhì)；（2）通過對血腦屏障平臺施加不對稱周期性傾斜作用來對血管通道施加準單向流動，以模擬內(nèi)皮細胞所受的剪切應(yīng)力，該方法避免了復(fù)雜的外接泵管系統(tǒng)，可同時對八個樣品同時操作；（3）通過集成透明的氧化銦錫（ITO）電極和鉑電極構(gòu)成四電極跨內(nèi)皮電阻（TEER）傳感器實現(xiàn)對血腦屏障的實時TEER和光學(xué)監(jiān)測。

圖1 a）體內(nèi)血腦屏障示意圖；b）血腦屏障芯片示意圖；c）血腦屏障芯片平臺組成及操作說明

通過將BBB模型暴露于氧糖剝奪（OGD）條件下以模擬缺血性損傷，如圖2（a）所示。通過連續(xù)記錄TEER值并使用活體熒光標記肌動蛋白（SiR-actin）、細胞核（Hoechst）和細胞缺氧指示劑（Image-iT）和高分辨率顯微鏡來監(jiān)測屏障變化行為。結(jié)果顯示在OGD條件下暴露30分鐘內(nèi)出現(xiàn)了強烈的SiR-actin信號所反映的肌動蛋白應(yīng)力纖維，60分鐘后肌動蛋白應(yīng)力纖維開始聚集，導(dǎo)致ECs收縮，從而導(dǎo)致EC之間連接的損傷和屏障的滲透性的提高。在不同時間點固定細胞并通過免疫熒光監(jiān)測屏障重構(gòu)情況，結(jié)果表明OGD條件下緊密連接蛋白在細胞連接處的減少，180分鐘后屏障完全受損，細胞之間出現(xiàn)孔洞和空隙。持續(xù)的TEER監(jiān)測表明在觀察到肌動蛋白聚合前屏障就存在破壞，TEER值在3h內(nèi)持續(xù)下降至最初的88.4%，通透性顯著增加了約20倍。

圖2 a) 芯片上再現(xiàn)缺血性損傷的實驗流程示意圖; b) OGD暴露后不同時間點的芯片上細胞屏障成像；（c）OGD暴露后芯片TEER值；(d) OGD暴露3h后4kDa FITC-Dextran滲透性；(e) 正常和OGD條件下內(nèi)皮細胞基于表達差異

綜上所述，該研究建立了一個高度集成、方便操作的BBB模型平臺，可以用來重現(xiàn)屏障功能，并研究內(nèi)皮層在外部損傷后的快速變化。利用BBB平臺模擬腦缺血，該模型有助于闡明屏障破壞的機制，為開發(fā)腦和BBB相關(guān)疾病的治療藥物提供了工具。

參考文獻：
Wei W, Cardes F, Hierlemann A, Modena M. 3D In Vitro Blood‐Brain‐Barrier Model for Investigating Barrier Insults[J]. Advanced Science, 2023, 10.