就像机场的安全屏障一样，血脑屏障(BBB)严格控制重要营养物质和能量代谢产物进入大脑的运输，防止有害物质在血液中循环。其组织严密的薄血管和支持细胞结构也是阻止救命药物到达大脑有效治疗癌症、神经退行性变和其他中枢神经系统疾病的主要障碍。在许多脑部疾病中，血脑屏障也会局部分解，导致神经毒性物质、血细胞和病原体渗入脑部，造成无法弥补的破坏。
为了研究血脑屏障及其药物转运，研究人员主要依赖于动物模型，如小鼠。然而，这些模型中血脑屏障的精确组成和转运功能与人类患者存在显著差异，这使得它们在预测药物递送和治疗效果方面不可靠。此外，在试图使用主要由脑组织衍生的细胞来重建人类血脑屏障的玻璃模型中，迄今为止还无法充分模拟血脑屏障的物理屏障、转运功能以及药物和抗体之间紧密的穿梭活动，因此不足以作为治疗开发工具。
唐纳德·因格贝尔领导的研究小组,创始主任哈佛大学生物工程研究所,有克服这些局限性利用微流体organs-on-chips技术结合发展的启发hypoxia-mimicking方法区分人类多能干细胞(iPS)细胞到大脑微血管内皮细胞(BMVECs)。由此产生的“低氧增强血脑屏障芯片”概括了人体血脑屏障的细胞组织、紧密屏障功能和转运能力，同时允许药物和治疗抗体以一种比现有体外系统更接近体内血脑屏障转运的方式转运。他们的研究发表在《自然通讯》杂志上。
“我们的建模方法体外药物和抗体穿梭人类BBB和如此高的前所未有的忠诚在现有能力提出了一个重大的进步在这非常具有挑战性的研究领域,“因格贝尔说,他也是Judah Folkman血管生物学教授哈佛医学院和生物工程教授约翰·a·保尔森工程和应用科学学院。“它解决了整个制药和生物技术领域药物开发项目的一个关键需求，我们现在的目标是利用我们独特的人才和资源，通过威斯研究所(Wyss Institute)专门针对大脑的项目，帮助克服这一需求。”
血脑屏障由BMVECs形成的细毛细血管、被称为周细胞的多功能细胞和星形胶质细胞组成。在周细胞和星形胶质细胞存在的情况下，内皮细胞可以产生紧密封闭的血管壁屏障，这是人血脑屏障的典型特征。
Ingber的团队首先在培养皿中将人的iPS细胞分化成大脑内皮细胞，这种方法是由威斯康辛大学麦迪逊分校的化学和生物工程学教授Eric Shusta与人合作开发的，但加入了生物灵感的力量。第一作者之一Park Tae-Eun说:“因为在胚胎中，血脑屏障是在低氧条件下(缺氧)形成的，我们在只有5%的氧气浓度的环境中，而不是正常的20%氧气浓度下，长时间地分化iPS细胞。”“结果，iPS细胞启动了一个与胚胎非常相似的发育程序，产生的BMVECs比在正常氧气条件下产生的BMVECs表现出更高的功能。Park曾是Ingber团队的博士后，现在是韩国蔚山国家科学技术研究院的助理教授。
在之前的人血脑屏障模型的基础上，研究人员接下来将缺氧诱导的人BMVECs转移到微流控芯片上的两个平行通道之一，这两个通道由多孔膜分隔，并持续注入介质。另一个通道则由初级人脑周细胞和星形胶质细胞组成。在经过一天的缺氧治疗后，人血脑屏障芯片可以在正常氧浓度下稳定维持至少14天，这远远超过了过去尝试的体外人血脑屏障模型。
剪切应力下的液体灌注BBB芯片,BMVECs继续形成血管和发展同周的密集的接口,他们看齐多孔膜的另一侧,以及星形胶质细胞扩展通过膜的小开口向他们。”工程的不同形态BBB被收紧屏障的形成包含平行的高选择性运输和药物相比,航天飞机系统的数字控制元BBB,我们生成没有缺氧或流体剪切应力,或与内皮来自成人的大脑,而不是“诱导多能性”细胞,”努尔Mustafaoglu说co-first作者研究和博士后的工作因格贝尔的团队。“此外，我们可以在临床中模拟治疗策略对患者的效果。例如，我们通过增加甘露醇溶质(渗透压)的浓度，让抗癌抗体西妥昔单抗等大型药物通过，在短时间内可逆地打开血脑屏障。”
提供额外的证明人类BBB hypoxia-enhanced芯片可以作为一种有效的工具来研究药物输送到大脑,团队研究了一系列的传输机制,防止药物达到他们的目标在大脑中注入他们血液中(流出),或允许在BBB营养和药物的选择性运输(transcytosis)。
帕克说:“当我们明确阻断关键的内皮细胞外分泌泵P-gp的功能时，我们就可以大幅度增加抗癌药物阿霉素从血管通道到大脑通道的转运，这与我们在人类患者身上观察到的情况非常相似。”“因此，我们的体外系统可以用来确定减少药物外流的新方法，从而在未来促进药物进入大脑。”
在另一个领域，药物开发人员正试图利用“受体介导的胞外作用”作为一种载体，将载药纳米颗粒、更大的化学和蛋白质药物以及治疗抗体运送到血脑屏障各处。穆斯塔法奥格鲁说:“低氧增强的人体血脑屏障芯片能够概括关键的细胞外吞途径的功能，例如LRP-1受体和转铁蛋白受体所使用的途径，它们负责从循环血液中吸收重要的脂蛋白和铁，并将它们释放到血脑屏障另一侧的大脑中。”“通过使用不同的临床前策略来利用这些受体，我们可以在体外维持血脑屏障完整性的同时，忠实地模拟先前证明的靶向转铁蛋白受体的治疗抗体在体内的穿梭。”
基于这些发现，威斯研究所启动了一项以大脑为目标的项目。“最初，BBB转运计划的目的是利用新的转录组学、蛋白质组学和iPS细胞方法，发现在BMVEC血管表面富集的新的穿梭靶。与此同时，我们正在研制针对已知航天飞机目标的全人体抗体航天飞机，增强大脑定位能力。“我们的目标是与多个生物制药合作伙伴在竞争前建立合作关系，开发出具有卓越疗效和工程灵活性的航天飞机，将其纳入抗体和蛋白质药物，因为这是患者和整个领域迫切需要的。”
作者认为除了药物开发研究中,人类BBB hypoxia-enhanced芯片还可以用于脑部疾病的模型方面可能受到BBB的崩溃的影响,如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症,以及这些疾病如何反过来影响BBB,以及推进个性化医疗方法利用iPS细胞。
这项研究由哈佛大学威斯生物启发工程研究所、美国国防高级研究计划局(DARPA)、韩国国家研究基金会以及克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会资助。
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