Visão geral do chip de barreira hematoencefálica

Barreira hematoencefálica (A BBB é uma barreira seletiva que protege o cérebro e o sistema nervoso central (SNC) e mantém um ambiente interno estável. É composto por células endoteliais, periféricas, gliais e uma matriz extracelular que garante a integridade da barreira. A disfunção da barreira hematoencefálica está associada a doenças como a doença de Alzheimer e a doença de Parkinson, permitindo que substâncias prejudiciais entrem no sistema nervoso central. Os modelos atuais de barreira hematoencefálica são capazes de estudar melhor essas doenças ao desenvolver terapias direcionadas e identificar substâncias estranhas potencialmente neurotóxicas, o que representa um passo importante para a neurociência e a farmacologia.^[1-2]- É.

Pesquisa tradicional da barreira hematoencefálica (Os métodos BBB, como os experimentos de Transwell e os modelos animais, apresentam limitações como simplificação excessiva, correlação fisiológica fraca e diferenças de gênero.

Modelo de barreira hematoencefálica microfluida (μBBB) resolve esses problemas através de sistemas de engenharia que simulam a função da barreira hematoencefálica no corpo. Estes modelos são capazes de controlar com precisão o ambiente, apoiar a cocultura celular, aplicar estresse de corte e replicar as condições ambientais do cérebro humano. O dispositivo de barreira hematoencefálica microfluidizado é capaz de realizar imagens de alta resolução, monitoramento intracelular e análise de resposta extracelular, tornando-o uma ferramenta ideal para o estudo de doenças do sistema nervoso central, triagem terapêutica e testes de neurotoxicidade. Eles oferecem um enorme potencial para avançar a pesquisa sobre barreiras hematoencefálicas.^[2]- É.

Uma barreira hematoencefálica in vitro ideal (O modelo BBB) deve replicar as principais características da barreira hematoencefálica no corpo, incluindo:

lcélulas endoteliais (ECs) Formação de estruturas vasculares 3D

lInterações Intercelulares

lStress de corte causado pelas células endoteliais pelo fluxo de fluidos

luma camada fina e porosa (BM

Simulação de barreiras hematoencefálicas in vitroPossuiUm dos aspectos desafiadores é a replicação precisa da membrana base natural, que desempenha um papel fundamental em processos como diferenciação celular, equilíbrio corporal, manutenção de tecidos e suporte estrutural. Idealmente, a membrana de base artificial deve ser fabricada com materiais biocompatíveis, com uma espessura de aproximadamente 100 nanômetros.

1 Projeto de equipamentos de microfluidos

1.1 Desenho de sanduíches

Este projeto de barreira hematoencefálica microfluida é caracterizado por duas camadas superiores e inferiores de polidimetilsiloxano (PDMS) canal, separado no meio por uma membrana porosa. Normalmente, são usadas membranas de policarbonato com um diámetro de 0,2 a 3 micrômetros, semelhantes ao sistema Transwell. As células endoteliais geralmente são vacinadas no canal superior, enquanto as células periféricas, astrócitos ou outras células cerebrais são cultivadas no canal inferior.

Outras membranas transparentes, como o PTFE, permitem imagens de alta resolução e monitoramento em tempo real do transporte biomolécular e do crescimento celular. Além disso, a configuração de vacinação celular invertida, ou seja, a cultura de células endoteliais na estrutura tridimensional vascular do canal inferior (ECs）， A vacinação simultânea de periféricos e astrócitos no canal superior pode melhorar a observação das interações intercelulares.

Gráfico1 Ícone de design de sanduíche de barreira hematoencefálica no chip. （A) o diagrama de decomposição do chip, incluindo a parte superior e inferior,

Cada um contém oito canais, compostos por porosos Separação de membrana PDMS. b) Esquema do projeto do equipamento de duas camadas,

As características são duas iguais. Componentes PDMS, um invertido e ligado ao outro. (C) Demonstrar a geração de oito condições diferentes em dois dispositivos de camada^[2]

1.2 Desenho paralelo

Dois canais horizontais Separação de matrizes de microcanais PDMS, substituindo a membrana de policarbonato tradicional por uma "membrana" de microcoluna baseada em PDMS (espaço de 3 micrômetros)^[3]Este design é capaz de ser co-cultivado com células de astrocítos ou tumores cerebrais e simplifica o processo de montagem sem modificações químicas adicionais. O layout plano melhora a interação intercelular e os efeitos de imagem.

O dispositivo é caracterizado por ter um compartimento de tecido com dois canais vasculares com entrada de fluido em ambos os lados, montados em um slide portador de microscópio com tubos de plástico para a entrada no canal.

Gráfico2 Imagem da barreira hematoencefálica no chip.A. O esquema mostra o compartimento de tecido no centro do equipamento,

Cercado por dois canais vasculares separados, com aberturas para a entrada de fluido.B. Esquema da cultura celular no projeto.

C. O dispositivo é montado em um slide de microscópio com tubos de plástico (azul escuro) para acesso a vários canais vasculares e compartimentos de tecidos^[3]- É.

1.3 Projeto de estrutura tubular tridimensional

TradiçãoO modelo PDMS μBBB usa microcanais retangulares, resultando em fluxo desigual e força de corte desigual, afetando o comportamento das células endoteliais. Para melhorar este problema, alguns modelos usam microcanais cilíndricos para uniformizar a força de corte, como um tubo microvascular baseado em colágeno 3D (diâmetro 75-150 μm), que controla com precisão o diâmetro do tubo através da velocidade de fluxo do fluido e é integrado no dispositivo μBBB.

Gráfico3 Ilustração do sistema cerebral microvascular^[4]

2 Dispositivos experimentais de chip de barreira hematoencefálica

Dispositivos experimentais de barreira hematoencefálica integrados no chip:

1. Controlador de fluxo OB1

2. Discriminação

3. Válvula de reciclagem MUX

4. Válvula de distribuição MUX

5. Cabo MUX

6. Três. / Válvula de duas vias

7. Sensor de fluxo microfluido

8. Conexões, Tubos e Conexões Ruhr

9. Tanques de armazenamento

10. Microfluidos para modelos de chips de barreira hematoencefálica

11. Software de microcontrole

2.1 Vantagens do dispositivo Elveflow

Controlador de pressão OB1

lControle preciso do fluxo de fluidos：O OB1 usa um regulador piezoelétrico para uma regulação de pressão rápida e estável. Essa precisão garante que o ambiente de microfluidos simule de perto as condições fisiológicas, o que é essencial para replicar com precisão as propriedades dinâmicas da barreira hematoencefálica.

lCapacidade de perfusão dinâmicaEm dispositivos de barreira hematoencefálica no chip, manter o estresse de corte adequado é essencial para a função das células endoteliais.O OB1 permite controlar o fluxo de fluidos, realizar perfusões dinâmicas e simular as condições de fluxo sanguíneo no corpo, aumentando assim a relevância fisiológica do modelo.

2. Válvula de distribuição MUX

lInjeção automáticaEsta válvula permite a transferência de vários reagentes, medicamentos ou meios de cultura para o chip de barreira hematoencefálica de acordo com o programa. Essa automação é essencial para realizar experimentos de perfusão dinâmica que simulam de perto as condições in vivo, aumentando a relevância fisiológica do modelo.

3. Válvula de reciclagem MUX

lSimulação de condições de fluxo fisiológico：O dispositivo de reciclagem MUX permite a reciclagem precisa e programável de fluidos, o que é essencial para replicar o estresse de corte e a dinâmica dos fluidos experimentados pelas células endoteliais na barreira hematoencefálica.

lA reciclagem controlada garante padrões realistas de fluxo sanguíneoIsso é essencial para manter a morfologia e função das células endoteliais.

lTestes de drogas e triagem de toxicidadeIntroduzir medicamentos ou nanopartículas de forma controlada e reciclá-las para estudar sua interação com a barreira hematoencefálica ao longo do tempo.

lSistema de co-cultivo dinâmicoGarante a perfusão contínua, que é essencial para a vitalidade celular e a manutenção de conexões estreitas.

lRedução do risco de poluição: reciclagem fechadaGrandeReduzir o risco de poluição, um desafio comum em sistemas de perfusão abertos.

3 Áreas de aplicação

3.1 Modelagem de doenças neurológicas

lTumores no cérebroBarreira hematoencefálica (O modelo BBB) é usado para estudar a interação das células iniciais do angioglioma (um fator-chave na invasão de tumores cerebrais) em seu ambiente. Além disso, o uso de um sistema de barreira hematoencefálica in vitro permite uma compreensão mais clara dos mecanismos da metastase do tumor cerebral. Ao integrar esferas de glioblastoma de origem do paciente em sistemas de microfluidos, esses modelos fornecem uma plataforma eficiente para triagem de medicamentos com potentes capacidades de destruição tumoral.

lDoenças neurológicasA resposta inflamatória em neuropatologia é causada pela agregação e migração de células imunológicas (incluindo neutrófilos, gliais e astrócitos). Nos modelos de doenças do sistema neurológico, como a doença de Alzheimer, a neuroinflamação é impulsionada pela ativação de microglíadas e astrócitos. As células imunológicas ativadas liberam citocinas inflamatórias, incluindo fatores de necrosis tumorais (TNF)-α e Interleukina (IL)-1. Durante essa resposta, as citocinas e as células imunológicas quebram a barreira hematoencefálica (BBB), muitas vezes levando o sangue a penetrar no cérebro, causando danos irreversíveis ao tecido cerebral.

3.2 Pesquisa neurobiológica

Controle do microambiente ao redor das células neurônicas dentro de uma plataforma de microfluidos, incluindo matrizes intercelulares e celulares e extracelulares (As interações entre ECM) são capazes de criar um microambiente semelhante ao corpo para que as células-tronco nervosas se diferenciem em componentes do sistema nervoso.

Ao combinar a tecnologia do microfluido com a neurobiologia, alguns desafios técnicos no campo podem ser resolvidos, como a cultura do sistema nervoso central (CNS) neurônios, separação de axões, padronização de neurônios cultivados, orientação do crescimento de axões para simular lesões axionais e estudo de processos como síntese de proteínas locais dentro dos axões, regeneração axional e transporte axional.

3.3 Desenvolvimento de medicamentos in vitro

O sistema de barreira hematoencefálica no chip fornece uma plataforma para avaliar a penetração de medicamentos através da barreira hematoencefálica em condições dinâmicas e fisiológicas, abordando as limitações dos modelos in vitro tradicionais. Eles são capazes de avaliar nanopartículas portadoras, incluindo transferências mediadas pelo receptor e otimização de nanotransportadores para a entrega direcionada do sistema nervoso central. Ao replicar a complexidade celular da barreira hematoencefálica, esses modelos ajudam a testar neuroprotetores e anticorpos em condições específicas da doença. Os sensores integrados permitem obter informações detalhadas sobre toxicidade farmacológica, atividade neuronal e comportamento sináptico. Usando células de origem do paciente, que apoiam a triagem personalizada de medicamentos e a pesquisa para doenças específicas^[4]- É.

3.4 Estudo do eixo cerebral em chips

Os chips multiórgão fornecem uma plataforma para estudar as interações entre o cérebro e outros órgãos no contexto de doenças e desenvolvimento de medicamentos. Eles são capazes de estudar condições complexas, como metastases cerebrais de câncer de pulmão, onde os processos dinâmicos podem ser replicados e estudados em detalhe. Estes chips também ajudam a revelar o microbioma. - Intesto - Vias de comunicação no eixo cerebral que ilustram como a saúde intestinal afeta as doenças do sistema nervoso. Simulando sistemas de órgãos interconectados, como o eixo fígado-cérebro na encefalopatia hepática ou a imunomodulação através do eixo cérebro-baço, os chips multi-órgãos oferecem uma abordagem abrangente para a compreensão das doenças de todo o corpo. Sua capacidade de simular ambientes fisiológicos dinâmicos promoveu pesquisas pioneiras na comunicação entre órgãos e no desenvolvimento de tratamentos.

Referências

1. X. Chen; C. Liu; L. Muok; C. Zeng e Y. Li, Design, Desenvolvimento e Aplicações de Modelo BBB Dinâmico 3D em Chip em Doenças Neurológicas, Células, 2021

2. M. Zakharova; M. A. Palma do Carmo; M. W. van der Helm; H. Le-O; M. N. S. de Graaf; V. Orlova; A. van den Berg; A. D. van der Meer; K. Broersen e L. I. Segerink, Multiplexed blood-brain barrier organ-on-chip, Laboratório em um chip, 2020.

3. S. P. Deosarkar; B. Prabhakarpandian; B. Wang; J. B. Sheffield; B. Krynska e M. F. Kiani, Uma nova barreira dinâmica sangue-cérebro neonatal em um chip, PlosOne, 2015

4. J.A. Kim; H.N. Kim; S-K. Estou; S. Chung; J.Y. Kang e N.Choi, modelo de microvasculatura cerebral baseado em colágeno in vitro usando modelo impresso tridimensional, Biomicrofluidics, 2015

5. X. Wang; Y. Hou; X. Ai; J. Sun; B. Xu; X. Meng; Y. Zhang e S. Zhang, Aplicações potenciais da barreira hematoencefálica baseada em microfluidics (BBB) em chips para o desenvolvimento de drogas in vitro, Biomedicina e Farmacoterapia, 2020