供稿人：王森、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-07-01
神經(jīng)血管單元(neurovascular unit, NVU)由多種類型的腦細(xì)胞組成，多細(xì)胞共同作用，維持分子運(yùn)輸屏障和腦組織穩(wěn)態(tài)，如圖1(A)所示。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的多種疾病和失調(diào)都與NVU的功能障礙有關(guān)，因此開發(fā)可概括NVU關(guān)鍵細(xì)胞及結(jié)構(gòu)特征的體外病理藥理模型的需求越來越大。近期，韓國科學(xué)技術(shù)研究院腦科學(xué)研究所的Seo等人構(gòu)建了由人源永生化的六種不同類型細(xì)胞共培養(yǎng)組成的NVU模型。該模型采用生物兼容性好的膠原蛋白水凝膠作為細(xì)胞的三維基質(zhì)，并在基質(zhì)中引入可灌注通道以進(jìn)行組織的內(nèi)皮化和灌流培養(yǎng),如圖1(B)所示。該研究證明了多細(xì)胞三維共培養(yǎng)對血腦屏障功能成熟和對外源性刺激的炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)有顯著影響。
3D共培養(yǎng)NVU模型制造過程如圖1(C)所示：首先，將星形膠質(zhì)細(xì)胞、周細(xì)胞、神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞的細(xì)胞懸液與中性膠原溶液相混合，并注射到預(yù)先插入微針的矩形的PDMS腔中，在37℃孵育30分鐘進(jìn)行膠原凝膠化，然后將微針取出以在膠原凝膠中形成空心圓柱形管腔通道。接著，通過微通道輸送含人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞的懸液，并翻轉(zhuǎn)芯片，使內(nèi)皮細(xì)胞附著在膠原通道管腔表面。最后，通過內(nèi)皮化通道注入培養(yǎng)基，進(jìn)行多細(xì)胞NVU模型的長期培養(yǎng)。
圖1基于水凝膠的人體外神經(jīng)血管單元芯片
通過該方法構(gòu)建的各種細(xì)胞在整個培養(yǎng)期間(即1、3和5天)都保持高存活率(>90%),且表達(dá)了代表不同細(xì)胞類型的特異性蛋白標(biāo)記物。從腦微血管到周圍膠原空間的分子運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間演化結(jié)果表明，高密度周細(xì)胞播種會增強(qiáng)屏障功能。從培養(yǎng)第五天的NVU芯片上收集細(xì)胞培養(yǎng)基，并進(jìn)行細(xì)胞因子分析，可以發(fā)現(xiàn)大量與血管發(fā)育成熟相關(guān)的細(xì)胞因子顯著上調(diào)，表明在多細(xì)胞微環(huán)境中釋放的可溶性因子具有旁分泌作用，對再現(xiàn)體內(nèi)生理結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要。進(jìn)一步通過血管通道灌流脂多糖(LPS)溶液誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，結(jié)果如圖2所示，純內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)物中，LPS暴露增加了分子滲漏量，而在NVU模型中，血管通透性沒有發(fā)生顯著變化，且LPS刺激后NVU模型的血管、免疫反應(yīng)、炎癥反應(yīng)相關(guān)細(xì)胞因子發(fā)生明顯變化，調(diào)節(jié)炎癥介質(zhì)產(chǎn)生的布魯頓酪氨酸激酶水平增加，這種上調(diào)代表了外部刺激下多細(xì)胞微環(huán)境中炎癥防御系統(tǒng)的增強(qiáng)。
圖2 炎癥誘導(dǎo)條件下的NVU模型跨內(nèi)皮滲透性
總之，該研究通過在三維膠原微環(huán)境中共培養(yǎng)6種NVU的重要組成細(xì)胞與可灌注的腦內(nèi)皮細(xì)胞，制造了體外NVU仿生模型，驗(yàn)證了該模型多細(xì)胞介導(dǎo)的血腦屏障功能，未來可作為研究NVU構(gòu)成細(xì)胞在生理和病理?xiàng)l件下功能的平臺，以及評估中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤)藥物療效的體外模型。