Tổng quan về chip rào cản máu não vi lưu lượng

mạc đường ruột muqueuses digestives (BBB là một hàng rào chọn lọc bảo vệ não và hệ thần kinh trung ương (CNS), 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. Mô hình hàng rào máu não hiện nay cho phép nghiên cứu tốt hơn các bệnh này bằng cách phát triển các liệu pháp nhắm mục tiêu và xác định các chất lạ 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]。

mạc đường ruột muqueuses digestives (Các phương pháp 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 về chi.

mạc đường ruột muqueuses digestives (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]。

-Hiển thị manipulator (Mô hình BBB nên sao chép các đặc điểm chính của hàng rào máu não trong cơ thể, bao gồm:

Lmạc đường ruột muqueuses digestives (ECs) Hình thành cấu trúc giống mạch máu 3D

LTương tác giữa các tế bào

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

Lmạc đường ruột muqueuses digestives (Bm)

Mô phỏng hàng rào máu não bên ngoài cơ thểVớiMột 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 với độ dày xấp xỉ 100 nanomet.

1 Thiết kế thiết bị Micro Flow

1.1 Thiết kế bánh sandwich

Thiết bị vớt váng dầu mỡ cho xử lý nước thải -PetroXtractor - Well Oil Skimmer (PDMS) kênh, được phân 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. +Lĩnh vực thức ăn chăn nuôi: Nguyên liệu bổ sung thực phẩm vi chất trong chăn nuôi (ECs）， Việc tiêm đồng thời các tế bào periocytes và astrocytes ở các kênh trên giúp tăng cường quan sát các tương tác giữa các tế bào.

Sơ đồ1 Biểu 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 làm bằng xốp Tách màng PDMS. (B) Sơ đồ thiết kế thiết bị hai lớp,

Các tính năng là hai giống hệt nhau Các thành phần PDMS, một cái đảo ngược và liên kết với cái kia. (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 bởi PDMS Microchannel Array được phân tách, thay thế màng polycarbonate truyền thống bằng "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 này được đặc trưng bởi một khoang mô được bao quanh bởi hai kênh mạch máu với lối vào chất lỏng, được lắp ráp trên một slide kính hiển vi, được trang bị một ống nhựa để vào kênh.

Sơ đồ2 Hình 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

Truyền thốngMô hình PDMS μ BBB sử dụng vi kênh 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.

Sơ đồ3 Sơ 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. Ba chiều /Van 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

LKiểm soát dòng chảy chất lỏng chính xác：OB1 sử dụng bộ điều chỉnh áp điện cho phép 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.

LNăng 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

LTự 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

LMô phỏng điều kiện dòng chảy sinh lý：Thiết bị tuần hoàn MUX cho phép tuần hoàn chất lỏng chính xác, có thể lập trình được, điều này 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.

LTái 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.

LXét 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.

LHệ 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.

LGiảm nguy cơ ô nhiễm: Vòng lặp khép kíntoGiảm thiểu rủi ro 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

LKhối u nãomạc đường ruột muqueuses digestives (Mô hình BBB được sử dụng để nghiên cứu sự tương tác của các tế bào khởi phát 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.

LRối 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. Kích hoạt tế bào miễn dịch giải phóng các cytokine viêm, bao gồm cả các yếu tố hoại tử khối u (TNF - α 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

Thiết bị vớt váng dầu mỡ cho xử lý nước thải -PetroXtractor - Well Oil Skimmer (Sự tương tác giữa ECM) có khả năng tạo ra một môi trường vi mô giống như cơ thể để các tế bào gốc thần kinh phân biệt 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 dưỡng hệ thần kinh trung ương (CNS) tế bào thần kinh, tách sợi trục, mô hình hóa tế bào thần kinh nuôi cấy, hướng dẫn tăng trưởng 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 nền tảng để đánh giá sự xâm nhập của thuốc qua hàng rào máu não trong các điều kiện động và liên quan đến sinh lý, giải quyết những hạn chế của mô hình in vitro truyền thống. Chúng có khả năng đánh giá các hạt nano mang thuốc, bao gồm transocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytocytoc 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 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 microbiome. - Con đường giao tiếp trong trục ruột-não, làm sáng tỏ cách sức khỏe đường ruột ảnh hưởng đến các bệnh thần kinh. 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