Die Blut-Hirn-Barriere (BBB) ist eine selektive Barriere, die das Gehirn und das Zentrale Nervensystem (ZNS) schützt und eine stabile innere Umgebung aufrechterhalt. Es besteht aus endotelialen, peripheralen, glialen und extrazellulären Zellen, die die Integrität der Barriere gewährleisten. Blut-Hirn-Barrierefunktionsstörungen sind mit Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson verbunden und können schädliche Substanzen in das zentrale Nervensystem bringen. Jetzt die meistenDas Blut-Hirn-Barrieremodell ist in der Lage, diese Erkrankungen durch die Entwicklung gezielter Therapien und die Identifizierung potenziell neurotoxischer Fremdstoffe besser zu untersuchen, was einen wichtigen Schritt in der Neurowissenschaft und Pharmakologie darstellt.[1-2].

Traditionelle Methoden zur Untersuchung der Blut-Hirn-Barriere (BBB), wie Transwell-Kammerversuche und Tiermodelle, haben Einschränkungen wie übermäßige Vereinfachung, schlechte physiologische Korrelationen und Rassendifferenzen.

Das mikrofluidisierte Blut-Hirn-Barrieremodell (μBBB) löst diese Probleme durch die Simulation der Blut-Hirn-Barrierefunktion in einem Engineering-System. Diese Modelle können die Umgebung präzise steuern, Zellkultur unterstützen, Schnittstress ausüben und die Umgebungsbedingungen des menschlichen Gehirns replizieren. Mikrofluidisierte Blut-Gehirn-Barrieregeräte ermöglichen hochauflösende Bildgebung, intrazelluläre Überwachung und extrazelluläre Reaktionsanalyse, was sie zum idealen Werkzeug für die Forschung von Erkrankungen des zentralen Nervensystems, therapeutisches Screening und neurotoxische Tests macht. Sie bieten ein großes Potenzial für den Fortschritt der Blut-Hirn-Barriere-Forschung[2].

Ein ideales in vitro Blut-Hirn-Barriere (BBB) Modell sollte die Schlüsselmerkmale der Blut-Hirn-Barriere im Körper replizieren, einschließlich:

l Endothelzellen (ECs) bilden 3D-Gefäßstrukturen

l Interaktion zwischen Zellen

l Schnittspannung durch Flüssigkeitsströme auf Endothelzellen

l Eine dünne und poröse Grundfolie (BM)

Simulation der Blut-Hirn-Barriere in vitroEiner der Herausforderungen besteht darin, die natürliche Substanzmembran genau zu replizieren, die eine entscheidende Rolle bei Prozessen wie Zelldifferenzierung, in-vivo-Gleichgewicht, Gewebeaufrechterhaltung und strukturelle Unterstützung spielt. Idealerweise sollte eine künstliche Substratmembran aus biokompatiblen Materialien mit einer Dicke von etwa 100 Nanometern hergestellt werden.

1 Konstruktion von Mikrofluidgeräten

1.1 Sandwich-Design

Diese mikrofluidisierte Blut-Hirn-Barriere-Konstruktion ist gekennzeichnet durch zwei obere und untere Schichten Polydimethylsiloxan (PDMS) Kanäle, die in der Mitte durch poröse Membrane getrennt sind. Normalerweise werden Polycarbonatfolien mit einer Durchmesserbereiche von 0,2 bis 3 Mikrometer verwendet, ähnlich dem Transwell-System. Endotelzellen werden in der Regel im oberen Kanal geimpft, während Peripheren, Asteroiden oder andere Gehirnzellen im unteren Kanal kultiviert werden.

Andere transparente Membrane, wie Tetrafluorethylen, ermöglichen eine hochauflösende Bildgebung sowie die Überwachung des biomolekularen Transports und des Zellwachstums in Echtzeit. Darüber hinaus kann eine umgekehrte Zellinfektionskonfiguration, d. h. die Kultivierung von Endothelzellen (ECs) in einer dreidimensionalen angiolytischen Struktur des unteren Kanals, während Peripheren und Astrozyten im oberen Kanal geimpft werden, die Beobachtung der interzellulären Wechselwirkungen verbessern.

Abbildung 1Blut-Gehirn-Barriere-Sandwich-Design-Symbol auf dem Chip. (A) Auflösungsdiagramm des Chips, einschließlich der oberen und unteren Teile,

Jeder enthält acht Kanäle, die durch eine poröse PDMS-Membran getrennt sind. (b) Schemation des Entwurfs der zweistöckigen Ausrüstung,

Es sind zwei identische PDMS-Komponenten gekennzeichnet, eine umgekehrt und mit der anderen verbunden. (C) zeigt, dass acht verschiedene Bedingungen in zwei Schichten erzeugt werden[2]

1.2 Parallele Konstruktion

Zwei horizontal angeordnete Kanäle werden durch ein PDMS-Mikrokanal-Array getrennt und ersetzen die herkömmliche Polycarbonatfolie durch eine PDMS-basierte Mikrosäulen-Membran (3 Mikrometer Spalt)[3]Diese Konstruktion ist in der Lage, mit Asterozyten oder Hirntumorzellen zu kultivieren und vereinfacht den Montageprozess, indem keine zusätzlichen chemischen Modifikationen erforderlich sind. Das Planlayout verbessert die Interaktion zwischen den Zellen und die Bildgebung.

Das Gerät ist gekennzeichnet durch eine Zwischengewebe-Kammer mit zwei Blutgefäßkanälen mit Flüssigkeitseingängen auf beiden Seiten, montiert auf Mikroskopträgerschienen mit Kunststoffrohren für den Eingang in die Kanäle.

Abbildung 2Bild der Blut-Hirn-Barriere auf dem Chip. A. Die Abbildung zeigt die Gewebekammer im Zentrum der Anlage,

Es ist umgeben von zwei unabhängigen Gefäßkanälen mit Flüssigkeitseintrittsöffnung. B. Schema der Zellkultur in diesem Design.

C. Das Gerät ist auf einem Mikroskopträger montiert und ist mit einem Kunststoffrohr (dunkelblau) für den Zugang zu verschiedenen Gefäßkanälen und Gewebekammern ausgestattet[3].

1.3 Dreidimensionale Strukturgestaltung

Das herkömmliche PDMS μBBB-Modell verwendet rechteckige Mikrokanäle, die zu ungleichmäßigen Strömungen und ungleichmäßigen Scherkräften führen und das Verhalten der Endothelzellen beeinflussen. Um dieses Problem zu verbessern, verwenden einige Modelle zylindrische Mikrokanäle für gleichmäßige Schnittkraft, wie z. B. Mikrovaskuläre Rohre auf Basis von 3D-Kollagen (Durchmesser 75-150 μm), die den Rohrdurchmesser durch die Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit genau steuern und in μBBB-Geräte integrieren.

Abbildung 3Mikrovaskuläres Hirnsystem[4]

2 Blut-Gehirn-Barriere-Chip-Experimentiergerät

Blut-Gehirn-Barriere-experimentelle Geräte auf dem Chip integriert:

1. OB1 Durchflussregler

2. Diskrimination

3. MUX-Umlaufventil

4. MUX Verteilerventil

5. MUX Leitungen

6. Drei- oder Zwei-Wege-Ventile

7. Mikrofluidgestützter Durchflusssensor

8. Verbindungen, Rohrleitungen und Ruhr-Verbindungen

9. Speicherbehälter

10. Mikro-Fluid-Chip für Blut-Hirn-Barriere-Chip-Modelle

11. Mikrofluidisierungssoftware

2.1 Vorteile von Elveflow-Geräten

1. OB1 Druckregler

l Präzise FluidstromsteuerungOB1 verfügt über einen piezoelektrischen Regler, der eine schnelle und stabile Druckregelung ermöglicht. Diese Genauigkeit gewährleistet, dass die Mikrofluidumgebung physiologische Bedingungen genau simulieren kann, was von entscheidender Bedeutung ist, um die dynamischen Eigenschaften der Blut-Hirn-Barriere genau zu reproduzieren.

l Dynamische InfusionsfähigkeitIn Blut-Hirn-Barriereinrichtungen auf Chips ist die Aufrechterhaltung einer angemessenen Schnittspannung für die Funktion der Endothelzellen von entscheidender Bedeutung. OB1 ermöglicht die Kontrolle des Flüssigkeitsflusses, ermöglicht eine dynamische Infusion und simuliert die Blutflussbedingungen im Körper, wodurch die physiologische Relevanz des Modells verbessert wird.

2. MUX Verteilerventil

l Automatische InjektionsreihenfolgeMit diesem Ventil können verschiedene Reagenzien, Medikamente oder Medien in den Blut-Gehirn-Barrierechip programmiert transportiert werden. Diese Automatisierung ist von entscheidender Bedeutung für die Durchführung dynamischer Infusionsexperimente, die die in vitro-Bedingungen genau simulieren, was die physiologische Relevanz des Modells erhöht.

3. MUX-Umlaufventil

l Simulation physiologischer BewegungsbedingungenMUX-Recycling-Geräte ermöglichen eine präzise, programmierbare Recycling von Flüssigkeiten, die entscheidend sind, um die Schnittspannung und die Flüssigkeitsdynamik zu replizieren, die die Endothelzellen in der Blut-Gehirn-Barriere erleben.

l Kontrollierte Recycling sorgt für realistische BlutflussmusterDies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Form und Funktion der Endothelzellen.

l Drogentests und ToxizitätsscreeningMedikamente oder Nanopartikel auf kontrollierte Weise einführen und wiederzirkulieren, um ihre Interaktion mit der Blut-Hirn-Barriere im Laufe der Zeit zu untersuchen.

l Dynamisches Co-KultivierungssystemEs gewährleistet eine kontinuierliche Infusion, die für die Vitalität der Zellen und die Aufrechterhaltung enger Verbindungen von entscheidender Bedeutung ist.

l Verringerung des Verschmutzungsrisikos: Der geschlossene Zyklus minimiert das Verschmutzungsrisiko, eine häufige Herausforderung bei offenen Intrusionssystemen.

3 Anwendungsbereiche

3.1 Modellierung von neurologischen Erkrankungen

l HirntumorDas Blut-Gehirn-Barriere-Modell (BBB) wird verwendet, um die Wechselwirkungen von Gliom-Startzellen (Schlüsselfaktoren für Gehirntumorangriffe) in ihrer Umgebung zu untersuchen. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von in vitro Blut-Gehirn-Barrieresystemen ein klareres Verständnis der Mechanismen der Hirntumormetastase. Durch die Integration von Glioblastoma-Sphären von Patienten in Mikrofluidsysteme bieten diese Modelle eine effiziente Plattform für das Screening von Medikamenten mit starker Tumortödlichkeit.

l Neurologische StörungenEntzündliche Reaktionen bei neuropathischen Läsionen werden durch die Ansammlung und Migration von Immunzellen (einschließlich Neutrophilen, Glialen und Astrozyten) verursacht. In neurologischen Erkrankungsmodellen wie der Alzheimer-Krankheit wird die Neurozzündung durch die Aktivierung von Mikroglia und Astrozyten angetrieben. Aktivierte Immunzellen freisetzen entzündliche Zytokine, einschließlich Tumor-Necrotizing-Faktor (TNF)-α und Interleukin (IL)-1. Während dieser Reaktion zerstören Zytokinen und Immunzellen die Blut-Hirn-Barriere (BBB), was häufig dazu führt, dass Blut in das Gehirn infiltriert und somit irreversible Gehirngewebsschäden verursacht.

3.2 Neurobiologische Forschung

Die Kontrolle der Mikroumgebung um die neuronalen Zellen innerhalb einer Mikrofluidplattform, einschließlich der Wechselwirkungen zwischen Zellen und Zellen mit der extrazellulären Matrix (ECM), schafft eine in-vitro-ähnliche Mikroumgebung für die Differenzierung von neuronalen Stammzellen in Komponenten des Nervensystems.

Durch die Kombination von Mikrofluidtechnik mit Neurobiologie können einige technische Herausforderungen auf diesem Gebiet gelöst werden, wie z. B. die Kultivierung von Neuronen des Zentralen Nervensystems (CNS), die Trennung von Axonen, die Modellierung von kultivierten Neuronen, die Führung des Dendritwachstums zur Simulation von Axonsverletzungen und die Untersuchung von Prozessen wie lokale Proteinsynthese, Axonregeneration und Axontransport innerhalb der Axonen.

3.3 In vitro Medikamentenentwicklung

Das Blut-Hirn-Barriere-System auf dem Chip bietet eine hohe Qualität zur Beurteilung der Durchdringbarkeit von Medikamenten durch die Blut-Hirn-Barriere unter dynamischen und physiologischen BedingungenDie Plattform löst die Einschränkungen herkömmlicher in vitro-Modelle. Sie sind in der Lage, Träger-Nanopartikel zu bewerten, einschließlich Rezeptor-vermittelter Transformation und Nanoträger-Optimierung für gezielte Lieferung im zentralen Nervensystem. Indem sie die zelluläre Komplexität der Blut-Hirn-Barriere replizieren, helfen diese Modelle, Neuroprotektoren und Antikörper unter krankheitsspezifischen Bedingungen zu testen. Die integrierten Sensoren ermöglichen Einblicke in Drogentoxizität, neuronale Aktivität und synaptisches Verhalten. Mit Zellen von Patienten, die das individuelle Medikamentsscreening und die Forschung auf spezifische Erkrankungen unterstützen[4].

3.4 Gehirnachsforschung auf Chips

Multi-Organ-Chips bieten eine qualitativ hochwertige Plattform für die Untersuchung der Interaktionen zwischen dem Gehirn und anderen Organen im Kontext von Krankheiten und Medikamentenentwicklung. Sie sind in der Lage, komplexe Erkrankungen wie Lungenkrebs-Hirnmetasen zu untersuchen, bei denen dynamische Prozesse repliziert und detailliert untersucht werden können. Diese Chips helfen auch, Kommunikationswege in der Mikrobiota-Darm-Gehirnachse aufzudecken und zu erläutern, wie sich die Darmgesundheit auf neurologische Erkrankungen auswirkt. Durch die Simulation miteinander verbundener Organsysteme wie die Leber-Gehirn-Achse bei Hepatoencephalopathie oder die Immunregulation durch die Gehirn-Milz-Achse bietet der Multi-Organ-Chip einen umfassenden Ansatz zum Verständnis von ganzheitlichen Erkrankungen. Ihre Fähigkeit, dynamische physiologische Umgebungen zu simulieren, hat bahnbrechende Forschung in der Kommunikation zwischen Organen und der Entwicklung von Therapien gefördert.

Referenzen

1. X. Chen; C. Liu; L. Muok; C. Zeng und Y. Li, Dynamic 3D On-Chip BBB Modell Design, Entwicklung und Anwendungen in neurologischen Erkrankungen, Zellen, 2021

2. M. Sacharowa; M. A. Palma do Carmo; M. W. van der Helm; H. Le-Der; M. N. S. de Graaf; V. Orlova; A. van den Berg; A. D. van der Meer; K. Broersen und L. I. Segerink, Multiplexe Blut-Hirn-Barriere-Organ-auf-Chip, Lab on a Chip, 2020.

3. S. P. Deosarkar; B. Prabhakarpandian; B. Wang; J. B. Sheffield; B. Krynska und M. F. Kiani, Eine neue dynamische neonatale Blut-Hirn-Barriere auf einem Chip, PlosOne, 2015

4. J.A. Kim; H.N. Kim; S-K. Ich; S. Chung; J.Y. Kang und N.Choi, Kollagen-basiertes Gehirnmikrovaskularmodell in vitro mit dreidimensionaler gedruckter Schablone, Biomicrofluidics, 2015

5. X. Wang; Y. Hou; X. Ai; J. Sun ; B. Xu; X. Meng; Y. Zhang und S. Zhang, Potenzielle Anwendungen der Mikrofluidik basierten Blut-Hirn-Barriere (BBB) - auf Chips für in vitro-Drogenentwicklung, Biomedizin & Pharmakotherapie, 2020