由于人口老齡化，阿爾茨海默病(AD)或帕金森病等神經(jīng)退行性疾病的數(shù)量也在擴(kuò)大。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，世界上有近10億人患有神經(jīng)疾病，包括癲癇、阿爾茨海默病、腦血管意外、神經(jīng)感染等….

在第三個(gè)千年之初，由于長期老齡化，神經(jīng)發(fā)育障礙日益嚴(yán)重，有必要對大腦有更深入的了解。

Rita Levi-Montalcini，1986年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

我們越來越需要一種體外模型來評估治療藥物對大腦的神經(jīng)毒性，并通過分析腦區(qū)的功能和相互作用來研究神經(jīng)疾病。事實(shí)上，小鼠或大鼠大腦的活體模型已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但都是有限的。馬歇爾和羅威爾觀察到，動物試驗(yàn)方法不足以正確預(yù)測藥物療效并挑選出替代方法的優(yōu)點(diǎn)。此外，神經(jīng)元的可塑性是大腦復(fù)雜性的主要原因之一，用現(xiàn)有的傳統(tǒng)體外模型很難再現(xiàn)。帕米斯和艾爾聲稱微生理系統(tǒng)提供了對大腦生理和功能的三維(3D)模擬的可能性。一種高效的腦芯片可以通過對大腦的一小部分進(jìn)行建模，如Griep和al在2013年所做的那樣，幫助發(fā)展對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的全球理解。Dauth等人對不同大腦區(qū)域之間的相互作用進(jìn)行了建模。

與大腦微流控芯片概念相關(guān)的挑戰(zhàn)

重現(xiàn)大腦的復(fù)雜性
由于神經(jīng)元的可塑性和細(xì)胞間的相互作用，對人腦的復(fù)雜性進(jìn)行建模是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。不同類型的細(xì)胞在大腦中相互作用：神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞注意到Pamies等人。他們觀察到，星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元需要以3D方式相互作用，以適當(dāng)?shù)馗纳仆挥|連接，并涉及更好的細(xì)胞成熟。2D共培養(yǎng)進(jìn)行了測試，提供了比正常培養(yǎng)神經(jīng)元更好的結(jié)果，但沒有給予足夠的自由來構(gòu)建有趣的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)星形膠質(zhì)細(xì)胞與幾個(gè)神經(jīng)元結(jié)合。結(jié)合不同類型的細(xì)胞是一部分，但Dauth等人還要注意多區(qū)域體外模型的缺乏。他們提出了一種基于大腦主要通過不同區(qū)域之間的通信來活動的觀察結(jié)果的多區(qū)域腦芯片。事實(shí)上，大腦區(qū)域表達(dá)的神經(jīng)元具有不同的電化學(xué)性質(zhì)，即不同的動作電位閾值，不同的蛋白質(zhì)水平等…

圖1：突觸示意圖，顯示神經(jīng)元和有髓軸突的內(nèi)部

腦血管界面的建模

腦模型的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是血腦屏障(BBB)，它對于評估腦毒性是極其重要的。這種生化膜結(jié)構(gòu)是大腦特有的。它由內(nèi)皮細(xì)胞組成，緊密連接，將血液和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞外液分開。帕米斯和艾爾準(zhǔn)確地說，神經(jīng)元離毛細(xì)血管的距離大多在8-20μm以內(nèi)。水、O2、CO2、荷爾蒙等小分子可以被動地進(jìn)入大腦，葡萄糖或氨基酸等其他基本分子可以通過主動運(yùn)輸通過屏障。
根據(jù)研究人員的說法，大腦的血液流動對大腦的發(fā)育和功能起著作用。血腦屏障的故障可以部分導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病。內(nèi)皮屏障的半通透性是維持腦內(nèi)平衡所必需的，不允許神經(jīng)毒性分子進(jìn)入，然而，許多治療藥物也被阻止。一個(gè)可靠的血液和腦間質(zhì)液界面模型似乎有助于研究這些神經(jīng)疾病，評估藥物的交叉和效果。體外模型對于低成本的大規(guī)模研究很有興趣，但很少是動態(tài)的。格里普和艾爾。展示了基于人體細(xì)胞的血腦屏障3D-微流體模型通過添加剪應(yīng)力來包括血流運(yùn)動的可能性。這種BBB芯片只持續(xù)七天，但顯示出開發(fā)神經(jīng)疾病模型的潛力。
Park和al在微流控腦芯片上模擬了大腦環(huán)境，并模擬了間質(zhì)流體流動。他們使用他們的微芯片來模擬阿爾茨海默病(AD)中由淀粉樣β蛋白引起的神經(jīng)退化。為了更好地了解片上腦技術(shù)及其潛在的應(yīng)用，將對該模型進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

基于芯片器官技術(shù)的阿爾茨海默病模型的技術(shù)特征

本節(jié)和下一節(jié)將介紹最近開發(fā)的用于阿爾茨海默氏癥研究的大腦芯片，由Park.J.和al共同開發(fā)。其目的是開發(fā)一種更接近于體內(nèi)觀察到的大腦環(huán)境的設(shè)備，具有相應(yīng)的3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)。因此，他們將他們的芯片建立在三維神經(jīng)球體上，正如在大腦間質(zhì)空間中觀察到的那樣，這些球體受到持續(xù)流動的液體的影響。為了形成大小均勻的均勻神經(jīng)球體，他們使用了帶有凹面微孔的芯片。在Park等人開發(fā)的滲透微泵系統(tǒng)的幫助下，介質(zhì)的連續(xù)流動被提供。該芯片采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作而成，由頂部腔體和底部50個(gè)圓柱孔組成。這些神經(jīng)元是從大鼠胚胎大腦皮層分離的原代皮質(zhì)神經(jīng)元。在建立了一個(gè)模擬正常大腦的微流控芯片后，Park等人說將調(diào)整他們的大腦芯片來模擬AD的大腦。

圖2：大腦芯片設(shè)備的原理圖。該裝置連接到提供間隙流動的滲透微泵。該芯片是基于3D神經(jīng)球體的。淀粉樣蛋白-β被添加到阿爾茨海默病模型中。

淀粉樣蛋白-β是一種多肽，被發(fā)現(xiàn)與阿爾茨海默病有關(guān)，是患者大腦中淀粉樣斑塊中的主要成分。為了正確研究阿爾茨海默病，他們分成了四組，在不同的培養(yǎng)條件下：第一組對應(yīng)于對照組，神經(jīng)球體沒有流動，第二組對應(yīng)于相同的條件，但添加了淀粉樣蛋白β，最后第三組和第四組分別是有流動的神經(jīng)球體培養(yǎng)，沒有和添加淀粉樣蛋白β。根據(jù)所在組的不同，細(xì)胞在“正?！鄙窠?jīng)基礎(chǔ)培養(yǎng)液(Gibco)中培養(yǎng)10天或7天，然后在含有淀粉樣蛋白-β的培養(yǎng)液中培養(yǎng)3天。

圖3：模擬正常大腦的微流控芯片(A)和模擬阿爾茨海默病大腦的微流控芯片(B)的示意圖。(A)在正常條件下，在氧氣和營養(yǎng)條件下培養(yǎng)神經(jīng)球體10天。(B)在阿爾茨海默病的情況下，細(xì)胞在氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的作用下只培養(yǎng)7天，然后在含有淀粉樣蛋白-β的培養(yǎng)液中培養(yǎng)3天。

微流控大腦芯片取得的成果

血流對神經(jīng)球的影響
為了確定持續(xù)向細(xì)胞添加營養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)胞因子和氧氣的不同后果，他們比較了靜態(tài)組和非靜態(tài)組。第一個(gè)明顯的區(qū)別是全球規(guī)模。第0天，兩組神經(jīng)球體平均大小相同。10天后，他們做了同樣的測量，發(fā)現(xiàn)連續(xù)流動培養(yǎng)的神經(jīng)球體增加(有一個(gè)模式：細(xì)胞朝著出口變小)，而其他細(xì)胞保持不變。兩組之間的第二個(gè)差異似乎是由間質(zhì)流動直接導(dǎo)致的，即芯片上形成網(wǎng)絡(luò)的模式。事實(shí)上，神經(jīng)球體中神經(jīng)突起的伸展程度更大，這直接意味著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成更強(qiáng)健。突觸蛋白IIa的免疫染色證實(shí)了這一點(diǎn)，突觸蛋白屬于突觸蛋白家族，參與突觸神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。在動態(tài)模型中，這種突觸標(biāo)記的強(qiáng)度要高得多，這意味著持續(xù)的流動也促進(jìn)了突觸的形成。事實(shí)上，使用另外兩個(gè)標(biāo)記：B-III微管蛋白作為神經(jīng)元標(biāo)記和Nestin作為神經(jīng)干細(xì)胞標(biāo)記，表明在持續(xù)的血流下，神經(jīng)前體細(xì)胞向神經(jīng)元的分化被促進(jìn)。Parks和al注意到，間質(zhì)流動是將營養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)胞因子和氧氣輸送到細(xì)胞中，從而參與突觸網(wǎng)絡(luò)形成所必需的。

圖4：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在靜態(tài)組和動態(tài)組中的形成。(a和c)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成的掃描電子顯微鏡圖像，神經(jīng)突起用白色表示。(b和d)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成的光學(xué)圖像，神經(jīng)突起用白色表示。(e和f)通過測量每個(gè)微孔切片中神經(jīng)突起的平均數(shù)量和神經(jīng)球體的平均大小來分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成。

淀粉樣蛋白-B的作用
在一半的培養(yǎng)物中加入淀粉樣蛋白B，使他們能夠研究這些蛋白質(zhì)如何影響神經(jīng)球體。他們使用硫黃素S對神經(jīng)球進(jìn)行染色，并研究淀粉樣蛋白B的存在和分布。首先，他們觀察到，在動態(tài)血流模型中，神經(jīng)球體中殘留的淀粉樣蛋白B的數(shù)量更多。在對死亡細(xì)胞進(jìn)行量化后，正如預(yù)期的那樣，他們顯示，含有淀粉樣蛋白B的培養(yǎng)物活細(xì)胞較少，這與這種蛋白的神經(jīng)毒性和凋亡作用相對應(yīng)。他們報(bào)告說，突觸素、微管蛋白和巢蛋白水平較低，這也與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的破壞有關(guān)。

所描述的阿爾茨海默病模型的結(jié)論

通過對Parks&al的不同培養(yǎng)案例的比較，一些有用的信息出來了。首先，3D細(xì)胞架構(gòu)在大腦微環(huán)境的再現(xiàn)方面提供了良好的結(jié)果。增加間質(zhì)液體流動的結(jié)果有助于這種芯片上腦作為藥物篩選和細(xì)胞毒性測試工具的潛力，因?yàn)樗兄趯?shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的神經(jīng)元形成，加速神經(jīng)前體細(xì)胞向成熟神經(jīng)元的分化。這可能是由于營養(yǎng)物質(zhì)和富含氧氣的新鮮介質(zhì)的持續(xù)供應(yīng)，以及代謝廢物的流動所致。
關(guān)于淀粉樣蛋白-B測試，不同的觀察結(jié)果使Park和al.。以確定該蛋白的神經(jīng)毒性和凋亡作用，從而進(jìn)一步誘導(dǎo)突觸功能障礙。由于這種蛋白質(zhì)被認(rèn)為是導(dǎo)致阿爾茨海默氏癥的原因，淀粉樣蛋白B對3D微培養(yǎng)的影響為建立快速、低成本的神經(jīng)退化模型打開了可能性。在靜態(tài)條件下，Park和al觀察到淀粉樣蛋白-B的作用更顯著，與流動條件下的擴(kuò)散相比，一致的是僅通過簡單的擴(kuò)散進(jìn)入神經(jīng)球體。然而，你會認(rèn)為在間質(zhì)血流的情況下淀粉樣蛋白B會被移除。這并不是處于興趣使然的研究，因?yàn)樵跊]有新鮮介質(zhì)供應(yīng)的情況下，淀粉樣蛋白B的供應(yīng)是持續(xù)的。

更多有關(guān)于大腦芯片的應(yīng)用場景

在器官芯片技術(shù)中，再循環(huán)是一個(gè)常見的問題，特別是當(dāng)幾個(gè)器官組合在一起創(chuàng)建一個(gè)多器官芯片時(shí)，也能被稱為芯片上的人類模型。對于毒性測試和藥理學(xué)研究來說，這一點(diǎn)很重要，但在允許相互作用的同時(shí)混合不同的細(xì)胞培養(yǎng)物，是非常具有挑戰(zhàn)性的。事實(shí)上，正如Rogal等人注意到的那樣，毒性不足以僅限于一個(gè)器官，它主要通過多個(gè)器官途徑發(fā)揮作用。。對于大腦與其他器官相關(guān)的3D培養(yǎng)，BBB前面所描述的才是重點(diǎn)。然而，如果將BBB-on-Chip模型應(yīng)用于人類神經(jīng)細(xì)胞，則會更好。IPSCs細(xì)胞具有產(chǎn)生人類神經(jīng)元的驚人潛力，但正如Dauth和al所解釋的那樣。還不能區(qū)分特定的大腦區(qū)域。這些神經(jīng)元屬性(細(xì)胞組成、蛋白質(zhì)表達(dá)、新陳代謝等)跨大腦區(qū)域的差異需要在下一版本的設(shè)備中進(jìn)行研究。