在人类大脑和血液系统之间，有一种选择性地阻止某些物质由血入脑的保护层，叫“血脑屏障”。就好比一个谨慎的看门人，站在大脑和它的循环系统之间，让好的东西进来，阻止坏的东西入侵。但是这个看门人，也阻止了治疗阿尔茨海默病或脑部肿瘤的试验药物进入大脑。
现在，由佐治亚理工学院团队领衔一项研究，已经设计出一种更深入地突破障碍的方法，目的是帮助药物开发人员做到更好地让试验药物进入大脑。他们在一块芯片上培养了人类血脑屏障，比之前的芯片更真实地重现了它的生理机能。
图 | 在芯片上新的血脑屏障中，星形胶质细胞（底部）生长更自然，功能更好。它们与它们上方的上皮细胞相接触，健康的星形胶质细胞也有助于培养的其余部分更好地发挥作用。（来源：佐治亚理工大学/Kim实验室/延世大学医学院）
这种新芯片为屏障的核心部分，即称为星形胶质细胞的脑细胞，设计了一个健康的环境。星形胶质细胞不是神经元，而是神经元与循环系统之间的中介。星形胶质细胞与内皮细胞相互作用，共同构成血脑屏障。
但星形胶质细胞特别挑剔，这是它们成为“看门人”的重要因素，同时也对生理上精细的培养提出了挑战。这种新的芯片通过三维立体方式培养，而不是平面方式培养，从而满足了星形胶质细胞的敏感性。
三维空间让星形胶质细胞更自然地发挥作用，这改善了整个屏障模型，也让培养的内皮细胞更好地发挥作用。新的芯片为研究人员提供了比以前的屏障模型更健康的血脑屏障功能。
星形胶质细胞中的“星形”
“你需要在健康状态和体内平衡状态下，在芯片上精确地模拟一个组织。如果我们不能建立健康状态的模型，我们也就不能真正地建立疾病的模型，因为没有精确的控制措施来测量它，”佐治亚理工学院乔治·伍德拉夫机械工程学院副教授，该研究的主要研究者 YongTae Kim 说。
图 | 星形胶质细胞（白色）与脉管系统中的内皮细胞连接。右边，aquaporin-4 表示用于交换水以及一些营养和废物。（来源：佐治亚理工大学/Kim 实验室/延世大学医学院）
在新的芯片中，星形胶质细胞在三维空间中看起来更加自然，呈现出星形的形状。相比之下，在平面培养基中，星形胶质细胞看起来像带条纹的煎蛋。通过这种立体设置，该芯片为可靠的人类血脑屏障研究增加了可能性，但目前可供选择的方法仍然很少。
“没有任何一种动物模型能够与人类血脑屏障的复杂功能相提并论。我们需要更好的人类模型。”Kim 说。
该研究团队在近期的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上发表了他们的研究结果。这项研究是由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）资助的。Kim 创立了一家公司，计划在未来大量生产这种新的芯片，用于学术和潜在的药物研究。
挑剔、专横的星形胶质细胞
大脑是身体中唯一配备有星形胶质细胞的部分，它们以自己独特的方式调节营养吸收和清除废物。
“根据大脑的要求，星形胶质细胞与血管系统实时合作，满足大脑的需要，并打开大门，只让那一点点水和营养物质进入。”星形胶质细胞只获取大脑需要的东西，而不会让其他细胞进入。”Kim 说。
图 | 芯片上的血脑屏障与芯片上的许多器官一样小，但它为星形胶质细胞提供了许多在三维模式下展开的空间。（来源：佐治亚理工学院/ YongTae Kim 实验室）
星形胶质细胞在细胞膜上形成一种叫做水通道蛋白 -4 的蛋白质结构，它与血管系统接触，让水分子进出，这也有助于清除大脑中的废物。
“在以前的芯片中，未观察到水通道蛋白-4的表达。该芯片是第一个。这可能对研究阿尔茨海默病很重要，因为水通道蛋白-4对清除大脑中分解的垃圾蛋白很重要。”
这项研究的共同作者之一、埃默里大学的 Allan Levey 博士是神经医学领域的知名研究人员，他对该芯片在解决老年痴呆症方面的潜力感兴趣。另一位同样来自埃默里大学的 Tobey McDonald 博士也在研究小儿脑癌，他对这种芯片在研究潜在脑癌治疗方法方面的可能性很感兴趣。
健康的屏障
星形胶质细胞在芯片的三维培养中比在二维培养中表现出更少的由病理触发的基因，从而显示出更健康的迹象。
“二维培养的星形胶质细胞表达的LCN2水平明显高于三维培养的。当我们在三维环境下培养时，它的含量只有原来的四分之一。”
更健康的状态也使星形胶质细胞更能表现出免疫反应。
“当我们在三维环境中有意识地让星形细胞进行病理性应激处理时，我们得到了更清晰的反应。在二维中，基态已经不那么健康了，对病理压力的反应也就不那么明显了。”
纳米颗粒输送
在与药物输送相关的测试中，纳米颗粒在与内皮细胞受体结合后穿过血脑屏障，从而使这些细胞吞噬这些颗粒，然后将它们输送到自然环境下的人脑内部。这是内皮细胞与三维培养的星形胶质细胞连接时能够更好地工作的部分原因。
“当我们抑制受体时，大多数纳米颗粒无法进入。这种测试在动物模型中不起作用，因为动物和人类之间的跨物种差异。”“这是一个例子，这种新的芯片可以让你研究人类血脑屏障的潜在药物传递，而这在动物模型中是做不到的。
血脑屏障的中心成分是星形胶质细胞。人类大脑中的星形胶质细胞与脉管系统中的内皮细胞相互作用，共同形成了血脑屏障。不过，星形胶质细胞出了名的挑剔，这使其很难用生理相关的方式来培养。新款芯片采用3D而非2D方式培养细胞，从而满足了星形胶质细胞的敏感性。
文章通讯作者、乔治亚理工学院的副教授YongTae Kim表示：“你需要在健康的状态下模拟芯片上的组织。如果我们无法建立健康状态的模型，那么我们也无法真正建立疾病模型，因为我们没办法准确测定它。”
在这款芯片上，星形胶质细胞在3D空间下看起来更加自然，呈现原本的星星状。相比之下，它们在2D环境下看起来像个煎蛋。该芯片为人类血脑屏障的研究增添了可靠性。“到目前为止，没有一种动物模型能够与人类血脑屏障的复杂功能相提并论。我们需要更好的人类模型，因为成功进入动物大脑的试验药物无法突破人类的屏障，”Kim说。
大脑是人体中唯一配备星形胶质细胞的结构。这种星星状的细胞以自己独特的方式调节营养的摄取和废物的清除。“根据大脑的要求，星形胶质细胞与脉管系统实时协作，仅打开门吸收少量的水和营养物。”Kim说。
星形胶质细胞在膜上形成一种称为aquaporin-4的蛋白结构。这种结构与脉管系统相接触，以控制水分子的进出，同时也有助于清除大脑中的废物。以前的芯片未观察到aquaporin-4的表达。“这款芯片是第一个，”Kim说。“这对研究阿尔茨海默病很重要，因为aquaporin-4能够清除大脑中分解的垃圾蛋白。”
在药物输送的试验中，纳米粒子在与内皮细胞受体结合后穿过血脑屏障，具体过程是内皮细胞吞噬粒子，然后在自然环境下将其转运至大脑内部。与3D培养的星形胶质细胞相连时，内皮细胞能够更好地发挥作用。
Kim表示，这个例子说明了如何利用新芯片来研究药物是否可穿过血脑屏障，这是动物模型无法做到的。“由于动物与人类之间的种间差异，这种试验不适用于动物模型，”他说。
参考文献：Microengineered human blood–brain barrier platform for understanding nanoparticle transport mechanisms
