血腦屏障（BBB）是一種獨特的選擇性屏障，能夠限制外源分子和致病因子侵入腦部，起到保護大腦的作用。然而，正是由于這一獨特的屏障，許多針對腦部疾病的新藥研發(fā)在動物模型上都遇到了瓶頸。因此，查明跨越血腦屏障的生理機制對于研究腦部疾病至關重要。目前，動物模型和2D Transwell系統(tǒng)是研究腦部疾病的常用模型，然而它們都無法完整地呈現(xiàn)人體血腦屏障的功能和結(jié)構。

鑒于此，韓國首爾延世大學的Jin Kim團隊開發(fā)了一種具有血腦屏障功能的神經(jīng)血管單元（hNVU）芯片，作為研究真菌感染大腦的體外模型。

? ? ???hNVU由三個平行通道組成，中央通道用于3D水凝膠包裹的神經(jīng)干細胞（NSC）培養(yǎng)，其他通道設計用于內(nèi)皮細胞（EC）和PC（周皮細胞）培養(yǎng)。該研究采用了垂直芯片設計，不僅能夠提高空間利用率，而且能夠誘導發(fā)生真菌被動捕獲的感染過程。

圖1 |?3D微流控hNVU芯片示意圖

隨后，研究者探究了hNVU芯片3D細胞外基質(zhì)（ECM）水凝膠培養(yǎng)的最佳條件。研究者設置了兩組實驗來研究水凝膠表面涂布對EC層形成的影響，一組只在水凝膠表面涂布膠原蛋白（Collagen I），另一組涂布膠原蛋白和多聚賴氨酸（PPL）。結(jié)果表明在后者條件下形成的EC層更加均勻緊密。

圖2 | 不同涂布物對EC層形成的影響
研究者進一步探究了3D細胞外基質(zhì)水凝膠的最佳比例。人腦細胞外基質(zhì)富含I型膠原蛋白和透明質(zhì)酸這兩種成分，其中透明質(zhì)酸在被兒茶酚修飾后（HA-CA）對細胞的黏附性能得到進一步提升。因此，研究者采用I型膠原蛋白和HA-CA制備了腦混合細胞外基質(zhì)（BHEM）水凝膠。研究發(fā)現(xiàn)水凝膠的最佳組成比例為3.7mg/ml膠原蛋白和7.1mg/ml HA-CA。

圖3 |?水凝膠成分及比例的優(yōu)化

接下來，研究者為了優(yōu)化培養(yǎng)基條件，進一步設計了兩種混合培養(yǎng)基：NE培養(yǎng)基（混合神經(jīng)干細胞培養(yǎng)基和血管內(nèi)皮細胞培養(yǎng)基）以及NEP培養(yǎng)基（除了前兩種培養(yǎng)基，再加入周皮細胞培養(yǎng)基）。通過qPCR方法檢測各培養(yǎng)基培養(yǎng)后的細胞的基因表達，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NEP培養(yǎng)的效果最佳，Tuj1、GFAP（膠質(zhì)細胞標記物）和P-gp的表達都保持在較高的水平。

圖4 |?培養(yǎng)基條件的優(yōu)化

接著，研究者使用hNVU芯片研究真菌性腦膜炎病原體新生隱球菌的腦感染機制，并將其與不引起真菌性腦膜炎的C. glabrata（光滑念珠菌）和C. deuterogattii（真菌病原體隱球菌）作比較。在共享EC層的腦芯片和肝芯片中，新生隱球菌表現(xiàn)出了腦靶性。這也證實了新生隱球菌優(yōu)先感染大腦，導致患者出現(xiàn)較高死亡率，而C. deuterogattii具有相對較低的神經(jīng)嗜性，主要導致肺部疾病。

圖5 | 新生隱球菌感染的多器官hNVU芯片模型

總之，與傳統(tǒng)的Transwell系統(tǒng)相比，hNVU芯片更好地模擬了血腦屏障的生理結(jié)構。使用hNVU芯片能夠系統(tǒng)地分析病原體的腦感染機制，并為治療腦部感染的藥物研發(fā)提供了一個通用、高效的篩選平臺。

參考文獻：Jin Kim? , Kyung-Tae Lee? , Jong Seung Lee, Jisoo Shin, Baofang Cui, Kisuk Yang, Yi Sun Choi? , Nakwon Choi? , Soo Hyun Lee, Jae-Hyun Lee? , Yong-Sun Bahn? ?and Seung-Woo Cho?.Fungal brain infection modelled in a human-neurovascular-unit-on-a-chip with a functional blood–brain barrier[J].Nature Biomedical Engineering, 2021, 6(14): 830-846.

Doi:10.1038/s41551-021-00743-8

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