新型片上器官使研究人员能够研究药物和疾病的影响

研究人员能够追踪从脉管系统穿过两个血脑屏障芯片并进入大脑的分子流。

人脑是人体所有器官中最复杂，最脆弱的器官，也是最需要保护免受毒素和其他有害物质（包括我们故意摄入的物质）的器官。但是，要了解药物和疾病对大脑的影响，科学家需要研究血管，脑细胞和血脑屏障（BBB）如何相互影响。

这是一个挑战。像培养皿中的细胞一样，体外模型太简单了，而人脑组织的体内模型太复杂了。现在，根据《自然生物技术》的报道，威斯生物启发工程研究所的研究人员使用微流体连接的器官芯片对人体内的甲基苯丙胺等药物产生了反应，从而创建了BBB-大脑界面的“正当”模型。链接的芯片使研究人员能够前所未有地了解大脑的脉管系统如何影响和调节其代谢功能。

Wyss的前技术开发人员本·莫兹（Ben Maoz）说：“我们意识到大脑已经非常复杂，无法在一个芯片上进行分析，因此我们做了相反的工作，将一个器官固定在多个芯片上。”目前是特拉维夫大学的助理教授。“器官芯片能够为神经学研究开辟另一个领域，这是其他方法所无法比拟的，它将非常密集的器官分离开来，揭示大脑内不同结构之间的新相互作用。”

您如何研究像人脑一样复杂的事物？拆开。Wyss的研究人员创造了模仿血脑屏障和大脑的器官芯片，并通过将它们连接在一起，发现我们的血管和我们的神经元如何相互影响。

BBB由血管和支持周细胞和星形胶质细胞的独特网络组成。血管为大脑提供了氧气和营养，它们对哪些分子可以从血液穿过到大脑具有很高的选择性，反之亦然。当血脑屏障被破坏时，就像暴露在甲基苯丙胺（“甲基”）和其他药物中一样，大脑的敏感神经元容易受到有害损害。此外，血脑屏障被认为可以直接与大脑互动，并帮助调节其功能。

为了复制大脑中供血血管，神经元隔室和引流血管的连接方式，Wyss创建了一个“涌入” BBB芯片，一个脑芯片和一个“外排” BBB芯片，它们在物理上是截然不同但相互连接的通过微流体通道进行化学物质和其他物质的交换。BBB芯片具有一个衬有内皮细胞的通道，通过该通道流过模拟血液的培养基，该培养基被多孔膜与包含灌注了人工脑脊髓液（aCSF）的周细胞和星形胶质细胞的平行通道隔开，并被多孔膜隔开。脑芯片具有类似的aCSF流动通道，该通道被另一个半透膜与包含人脑神经元及其支持星形胶质细胞的隔室分隔开。

这三个芯片的aCSF通道串联连接，创建了一个完全链接的系统，其中物质可以从血管通道扩散穿过第一个BBB进入aCSF，进入大脑神经元细胞腔，流回aCSF，最终扩散就像体内发生的那样，穿过第二个BBB进入另一个血管通道。

该团队在链接的BBB脑芯片中培养人类细胞，并将其暴露于甲基苯丙氨酸，已知该方法会破坏体内BBB细胞之间的连接并导致屏障“泄漏”。当冰毒流过BBB芯片的血管通道时，它破坏了其血管内皮细胞的连接，并使通常无法穿越的分子通过。这项实验证实了该模型的有效性，并且可以用于研究中，以更好地理解和开发针对药物对人脑的影响的治疗方法。

芯片中未暴露于甲基苯丙胺的某些物质也引起了科学家的注意。他们意识到BBB上的细胞和流体连接的脑芯片以及未连接的芯片上的细胞表达不同的蛋白质。例如，与未连接的芯片中的细胞相比，所有连接的芯片中的细胞表达的代谢相关蛋白水平更高，而参与增殖和迁移的蛋白水平更低，这表明不同类型的细胞实际上确实可以互相帮助以维持适当的功能。

甲基苯丙胺（左）可破坏血脑屏障（BBB）细胞之间的紧密连接（以绿色显示），使有毒物质进入大脑。当将冰毒添加到健康的BBB细胞中（中间）时，会导致连接处漏水（右），这证明BBB脑芯片系统可用于研究药物对人脑的作用。

“人们经常认为血管只是化学药品的屏障或运输者。但是当我们观察链接的BBB脑芯片时，我们发现内皮细胞和神经元之间似乎存在一些串扰。”合著者安娜·赫兰德（Anna Herland）说，他是威斯研究所（Wyss Institute）的前博士后，现在是研究员皇家理工学院和斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院教授。“我们还从长期对甲基苯丙胺滥用者的研究中知道，这种药物会影响大脑的新陈代谢，因此我们开始更深入地研究，看看是否能够表征血脑屏障与大脑之间的代谢联系。”

BBB-大脑芯片系统的模块化性质也使研究人员可以独立分析离散细胞群体分泌的所有分子，然后将这些芯片连接起来以追踪它们的移动位置。未偶联的BBB芯片上细胞分泌的化学物质在很大程度上与神经元的维持和保护有关，这表明BBB产生的分子为神经元提供了化学线索。

为了确定内皮如何影响大脑中的代谢物，科学家对已经与BBB芯片分离的脑芯片施用了放射性碳标记的葡萄糖，丙酮酸或乳酸。他们发现，未连接的脑芯片中谷氨酰胺和神经递质GABA的产生均低于与BBB相连的芯片。这表明血管内皮细胞代谢产物成为生产介导大脑神经元细胞信息处理的神经递质的底物-暗示我们血管的健康会直接影响心理功能。

“这里最大的突破是，我们以一种传统的大脑研究技术无法做到的方式，挑逗了细胞之间的通信网络。体内研究根本无法提供确定这些代谢网络在活组织内异质细胞群体中起作用的复杂程度的详细信息。在哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院。

“我们在这里看到了意想不到的复杂性水平，这对成功绘制大脑的连接体意味着什么提出了更高的要求。”

这项工作得到了Wyss生物启发工程研究所，DARPA，瑞典-美国基金会，Carl Trygger基金会以及Erik和EdithFernström基金会的支持。

出版物：Ben M Maoz等人，“人类神经血管单元的芯片上关联器官模型揭示了内皮细胞和神经元细胞的代谢耦合”，《自然生物技术》，2018年