Hàng rào máu não (BBB) là một hàng rào chọn lọc bảo vệ não và hệ thần kinh trung ương (CNS) và duy trì môi trường bên trong ổn định. Nó bao gồm các tế bào nội mô, tế bào tuần mô, tế bào thần kinh đệm và ma trận ngoại bào, đảm bảo tính toàn vẹn của hàng rào. Rối loạn chức năng hàng rào máu não có liên quan đến các bệnh như Alzheimer và Parkinson và có thể cho phép các chất có hại xâm nhập vào hệ thần kinh trung ương. Hiện nay hầu hếtMô hình hàng rào máu não cho phép nghiên cứu tốt hơn các bệnh này bằng cách phát triển các liệu pháp nhắm mục tiêu, xác định các chất ngoại lai có khả năng gây độc thần kinh, thể hiện một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực khoa học thần kinh và dược lý.[1-2]。

Các phương pháp truyền thống để nghiên cứu hàng rào máu não (BBB), chẳng hạn như thí nghiệm phòng Transwell và mô hình động vật, có những hạn chế như đơn giản hóa quá mức, tương quan sinh lý kém và sự khác biệt giữa các loài.

Mô hình hàng rào máu não vi lưu (μBBB) giải quyết những vấn đề này bằng cách mô phỏng chức năng hàng rào máu não trong cơ thể bằng một hệ thống kỹ thuật. Các mô hình này có khả năng kiểm soát chính xác môi trường, hỗ trợ đồng nuôi cấy tế bào, áp dụng ứng suất cắt và sao chép các điều kiện môi trường của não người. Thiết bị hàng rào máu não vi lưu có khả năng thực hiện hình ảnh có độ phân giải cao, theo dõi nội bào và phân tích phản ứng ngoại bào, làm cho nó trở thành công cụ lý tưởng cho nghiên cứu bệnh CNS, sàng lọc điều trị và kiểm tra độc tính thần kinh. Chúng cung cấp tiềm năng to lớn để thúc đẩy nghiên cứu hàng rào máu não.[2]。

Một mô hình lý tưởng của hàng rào máu não in vitro (BBB) nên sao chép các tính năng chính của hàng rào máu não trong cơ thể, bao gồm:

L Các tế bào nội mô (ECs) tạo thành cấu trúc giống mạch máu 3D

L Tương tác giữa các tế bào

L Ứng suất cắt được tạo ra bởi dòng chảy chất lỏng trên các tế bào nội mô

L Một màng cơ bản mỏng và xốp (BM)

Mô phỏng hàng rào máu não bên ngoài cơ thể.Một trong những khía cạnh thách thức là tái tạo chính xác màng nền tự nhiên, đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình như biệt hóa tế bào, cân bằng nội môi, duy trì mô và hỗ trợ cấu trúc. Lý tưởng nhất, màng nền nhân tạo nên được sản xuất bằng vật liệu tương thích sinh học và dày khoảng 100 nanomet.

1 Thiết kế thiết bị Micro Flow

1.1 Thiết kế bánh sandwich

Thiết kế hàng rào máu não vi lưu này có hai lớp kênh polydimethylsiloxane (PDMS) trên và dưới, được ngăn cách bởi một màng xốp ở giữa. Thường sử dụng màng polycarbonate có khẩu độ từ 0,2 đến 3 micron, tương tự như hệ thống Transwell. Các tế bào nội mô thường được cấy vào các kênh trên, trong khi các tế bào periocytes, astrocytes hoặc các tế bào não khác được nuôi cấy ở các kênh dưới.

Các màng trong suốt khác, chẳng hạn như polytetrafluoroethylene, cho phép hình ảnh có độ phân giải cao cũng như theo dõi thời gian thực về vận chuyển phân tử sinh học và tăng trưởng tế bào. Ngoài ra, việc đảo ngược cấu hình tiêm chủng tế bào, tức là nuôi cấy các tế bào nội mô (ECs) trong cấu trúc giống mạch máu ba chiều của các kênh thấp hơn trong khi tiêm các tế bào tuần hoàn và astrocytes ở các kênh trên, tăng cường quan sát tương tác giữa các tế bào.

Hình 1Biểu tượng thiết kế bánh sandwich hàng rào máu não trên chip. (A) Sơ đồ phân hủy của chip, bao gồm các phần trên và dưới,

Mỗi kênh chứa tám kênh được phân cách bằng màng PDMS xốp. (B) Sơ đồ thiết kế thiết bị hai lớp,

Tính năng là hai phần PDMS giống hệt nhau, một phần đảo ngược và liên kết với phần còn lại. (C) Hiển thị tạo ra tám điều kiện khác nhau trong hai lớp thiết bị[2]

1.2 Thiết kế song song

Hai kênh được sắp xếp theo chiều ngang được phân tách bởi một mảng các kênh vi PDMS, thay thế màng polycarbonate truyền thống bằng một "màng" microcolumn dựa trên PDMS (khoảng cách 3 micron).[3]Thiết kế này có khả năng đồng nuôi cấy với tế bào thần kinh đệm hình sao hoặc tế bào khối u não và đơn giản hóa quá trình lắp ráp mà không cần sửa đổi hóa học bổ sung. Bố cục phẳng cải thiện tương tác giữa các tế bào và hiệu ứng hình ảnh.

Thiết bị được đặc trưng bởi một khoang mô trung gian, hai bên là hai kênh mạch máu với chất lỏng vào miệng, lắp ráp trên một slide kính hiển vi, được trang bị một ống nhựa để vào kênh.

Sơ đồ 2Hình ảnh hàng rào máu não trên con chip. A. Sơ đồ hiển thị khoang tổ chức của trung tâm thiết bị,

Được bao quanh bởi hai kênh mạch máu riêng biệt với chất lỏng đi vào lỗ. B. Sơ đồ nuôi cấy tế bào trong thiết kế này.

C. Thiết bị được lắp ráp trên kính hiển vi slide, được trang bị ống nhựa (màu xanh đậm), có thể truy cập vào các kênh mạch máu riêng lẻ và khoang mô[3]。

1.3 Thiết kế cấu trúc hình ống 3D

Mô hình PDMS μBBB truyền thống sử dụng microchannel hình chữ nhật, dẫn đến dòng chảy không đồng đều, lực cắt không đồng đều, ảnh hưởng đến hành vi của tế bào nội mô. Để cải thiện vấn đề này, một số mô hình sử dụng microchannels hình trụ cho lực cắt đồng đều, chẳng hạn như ống vi mạch dựa trên collagen 3D (đường kính 75-150 μm), kiểm soát chính xác đường kính ống thông qua tốc độ dòng chảy chất lỏng và tích hợp vào thiết bị μBBB.

Hình 3Sơ đồ hệ thống vi mạch máu não[4]

2 Thiết bị thí nghiệm chip hàng rào máu não

Thiết bị thí nghiệm hàng rào máu não tích hợp trên chip:

1. Bộ điều khiển lưu lượng OB1

2. Đa dạng

3. Van tuần hoàn MUX

4. Van phân phối MUX

5. Dây MUX

6. Van ba chiều/hai chiều

7. Cảm biến lưu lượng Micro Flow

8. Khớp nối, ống và khớp nối Ruhr

9. Bể chứa chất lỏng

10. Chip Micro Flow cho mô hình chip hàng rào máu não

11. Phần mềm Micro Flow

2.1 Lợi thế của thiết bị Elveflow

1. Bộ điều khiển áp suất OB1

L Kiểm soát dòng chảy chất lỏng chính xác: OB1 sử dụng bộ điều chỉnh áp điện, có thể đạt được điều chỉnh áp suất nhanh và ổn định. Độ chính xác này đảm bảo rằng môi trường vi lưu có thể mô phỏng chặt chẽ các điều kiện sinh lý, điều này rất quan trọng để tái tạo chính xác các đặc tính động của hàng rào máu não.

L Năng động điềnTrong các thiết bị hàng rào máu não trên chip, duy trì ứng suất cắt thích hợp là rất quan trọng đối với chức năng tế bào nội mô. OB1 cho phép kiểm soát dòng chảy của chất lỏng, cho phép truyền năng động, mô phỏng các điều kiện lưu lượng máu trong cơ thể, do đó tăng cường mối tương quan sinh lý của mô hình.

2. Van phân phối MUX

L Tự động tiêm tuần tựVan này cho phép vận chuyển các tác nhân, thuốc hoặc môi trường khác nhau theo quy trình vào chip hàng rào máu não. Tự động hóa này rất quan trọng để thực hiện các thí nghiệm tưới máu động mô phỏng chặt chẽ các điều kiện trong cơ thể, tăng cường mối tương quan sinh lý của mô hình.

3. Van tuần hoàn MUX

L Mô phỏng điều kiện dòng chảy sinh lýThiết bị tuần hoàn MUX cho phép tái tuần hoàn chất lỏng chính xác, có thể lập trình, rất quan trọng để tái tạo ứng suất cắt và động lực học chất lỏng mà các tế bào nội mô trong hàng rào máu não trải qua.

L Tái tuần hoàn có kiểm soát đảm bảo mô hình lưu lượng máu thực tếĐiều này rất quan trọng để duy trì hình thái và chức năng của các tế bào nội mô.

L Xét nghiệm ma túy và sàng lọc độc tínhGiới thiệu thuốc hoặc các hạt nano một cách có kiểm soát và tái chế chúng để nghiên cứu cách chúng tương tác với hàng rào máu não theo thời gian.

L Hệ thống đồng nuôi cấy độngNó đảm bảo sự truyền dịch liên tục, điều này rất quan trọng đối với sức sống của tế bào và duy trì các kết nối chặt chẽ.

L Giảm nguy cơ ô nhiễmTái chế vòng kín làm giảm đáng kể nguy cơ ô nhiễm, một thách thức phổ biến trong các hệ thống tưới mở.

3 Lĩnh vực ứng dụng

3.1 Mô hình bệnh thần kinh

L Khối u nãoMô hình hàng rào máu não (BBB) được sử dụng để nghiên cứu sự tương tác của các tế bào bắt đầu angioglia (một yếu tố quan trọng trong sự xâm nhập của khối u não) trong môi trường của chúng. Ngoài ra, việc sử dụng hệ thống hàng rào máu não in vitro cho phép hiểu rõ hơn về cơ chế di căn của khối u não. Bằng cách tích hợp các quả cầu glioblastoma có nguồn gốc từ bệnh nhân vào hệ thống microfluidic, các mô hình này cung cấp một nền tảng hiệu quả cao để sàng lọc các loại thuốc có khả năng tiêu diệt khối u mạnh mẽ.

L Rối loạn chức năng thần kinhPhản ứng viêm trong bệnh lý rối loạn thần kinh là do sự kết hợp và di chuyển của các tế bào miễn dịch, bao gồm bạch cầu trung tính, thần kinh đệm và astrocytes. Trong các mô hình rối loạn thần kinh như bệnh Alzheimer, viêm thần kinh được thúc đẩy bởi sự kích hoạt của microglia và astrocytes. Các tế bào miễn dịch được kích hoạt giải phóng các cytokine viêm, bao gồm yếu tố hoại tử khối u (TNF) -alpha và interleukin (IL) -1. Trong phản ứng này, các cytokine và tế bào miễn dịch phá vỡ hàng rào máu não (BBB), thường khiến máu xâm nhập vào não, từ đó gây tổn thương mô não không thể đảo ngược.

3.2 Nghiên cứu sinh học thần kinh

Việc kiểm soát môi trường vi mô xung quanh các tế bào thần kinh, bao gồm cả sự tương tác giữa các tế bào và giữa các tế bào và ma trận ngoại bào (ECM), trong một nền tảng vi lưu, có thể tạo ra một môi trường vi mô giống như cơ thể để các tế bào gốc thần kinh biệt hóa thành các khối xây dựng của hệ thần kinh.

Một số thách thức kỹ thuật trong lĩnh vực này có thể được giải quyết bằng cách kết hợp công nghệ vi lưu với sinh học thần kinh, chẳng hạn như nuôi cấy tế bào thần kinh trung ương (CNS), tách sợi trục, mô hình hóa tế bào thần kinh nuôi cấy, hướng dẫn sự phát triển của sợi thần kinh để mô phỏng tổn thương sợi trục và nghiên cứu các quá trình như tổng hợp protein cục bộ, tái tạo sợi trục và vận chuyển sợi trục trong sợi trục.

3.3 Phát triển thuốc in vitro

Hệ thống hàng rào máu não trên chip cung cấp chất lượng cao để đánh giá tính thấm của thuốc qua hàng rào máu não trong các điều kiện liên quan đến động học và sinh lýNền tảng, giải quyết giới hạn của mô hình ngoài cơ thể truyền thống. Chúng có khả năng đánh giá các hạt nano mang thuốc, bao gồm transocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytoc Bằng cách sao chép sự phức tạp tế bào của hàng rào máu não, các mô hình này giúp kiểm tra các chất bảo vệ thần kinh và kháng thể trong các điều kiện cụ thể của bệnh. Các cảm biến tích hợp cung cấp cái nhìn sâu sắc về độc tính của thuốc, hoạt động của tế bào thần kinh và hành vi khớp thần kinh. Sử dụng các tế bào có nguồn gốc từ bệnh nhân, hỗ trợ sàng lọc thuốc cá nhân và nghiên cứu về các bệnh cụ thể[4]。

3.4 Nghiên cứu trục não trên chip

Chip đa cơ quan cung cấp một nền tảng chất lượng để nghiên cứu sự tương tác giữa não và các cơ quan khác trong bối cảnh bệnh tật và phát triển thuốc. Họ có thể nghiên cứu các điều kiện phức tạp như di căn não ung thư phổi, trong đó các quá trình động lực có thể được nhân rộng và nghiên cứu chi tiết. Những con chip này cũng giúp tiết lộ các con đường giao tiếp trong trục microbiome-ruột-não, làm sáng tỏ sức khỏe đường ruột ảnh hưởng đến các bệnh thần kinh như thế nào. Bằng cách mô phỏng các hệ thống cơ quan kết nối với nhau, chẳng hạn như trục gan-não trong bệnh não gan hoặc điều hòa miễn dịch thông qua trục não-lá lách, chip đa cơ quan cung cấp một cách tiếp cận toàn diện để hiểu các bệnh toàn thân. Khả năng của họ để mô phỏng một môi trường sinh lý năng động thúc đẩy nghiên cứu tiên phong trong truyền thông giữa các cơ quan và phát triển điều trị.

Tài liệu tham khảo

1. X. Trần; C. Liu; L. Muok; C. Zeng và Y. Li, Dynamic 3D On-Chip BBB Model Design, Development, and Applications in Neurological Diseases, Cells, 2021.

2. M. Zakharova; M. A. Palma do Carmo; M. W. van der Helm; H. Le-The; M. N. S. de Graaf; V. Orlova; A. Van den Berg; A. D. van der Meer K. Broersen và L. I. Segerink, Multiplexed blood-brain barrier organ-on-chip, Lab on a Chip, 2020.

3. S. P. Deosarkar; B. Prabhakarpandian; B. Vương; J. B. Sheffield; B. Krynska và M. F. Kiani, A Novel Dynamic Neonatal Blood-Brain Barrier on a Chip, PlosOne, 2015.

4. J.A. Kim; H.N. Kim; S-K. Tôi; S. Chung; J.Y. Kang và N.Choi, Mô hình vi mạch não dựa trên collagen in vitro sử dụng mẫu in ba chiều, Biomicrofluidics, 2015

5. X. Vương; Y. Hồ; X. Ai; J. Sun; B. Xu; X. Mạnh; Y. Zhang và S. Zhang, Ứng dụng tiềm năng của hàng rào máu não dựa trên vi chất lỏng (BBB) - trên chip để phát triển thuốc in vitro, Y học sinh học & Dược liệu, 2020