حاجز الدم في الدماغ ( BBB ) هو حاجز انتقائي يحمي الدماغ والجهاز العصبي المركزي ( الجهاز العصبي المركزي ) ويحافظ على استقرار البيئة الداخلية . وهو يتألف من الخلايا البطانية ، pericytes ، والخلايا الدبقية ، المصفوفة خارج الخلية ، وضمان سلامة الحاجز . ضعف حاجز الدم في الدماغ ( BBB ) يرتبط مع مرض الزهايمر ومرض باركنسون . الآن معظمحاجز الدم في الدماغ ( BBB ) نموذج يمكن دراسة هذه الأمراض على نحو أفضل من خلال تطوير العلاجات المستهدفة ، وتحديد المواد الأجنبية المحتملة العصبية ، والتي تمثل خطوة هامة إلى الأمام في مجال علم الأعصاب وعلم الصيدلة .[1-2]منتدى

الأساليب التقليدية في دراسة حاجز الدم في الدماغ ( BBB ) ، مثل transwell حجرة التجارب والنماذج الحيوانية ، لديها بعض القيود ، مثل الإفراط في التبسيط ، وسوء العلاقة الفسيولوجية و الاختلافات بين الأنواع .

microfluidic حاجز الدم في الدماغ نموذج ( μ BBB ) يمكن حل هذه المشاكل من خلال محاكاة وظيفة حاجز الدم في الدماغ في الجسم الحي . هذه النماذج يمكن التحكم بدقة في البيئة ، ودعم coculture الخلايا ، وتطبيق إجهاد القص ، وتكرار الظروف البيئية في الدماغ البشري . microfluidic حاجز الدم في الدماغ ( BBB ) جهاز يمكن استخدامها في التصوير عالية الدقة ، ورصد ردود الفعل خارج الخلية ، مما يجعلها أداة مثالية لدراسة أمراض الجهاز العصبي المركزي ، وفحص العلاج و اختبار السمية العصبية . أنها توفر إمكانات كبيرة لتعزيز حاجز الدم في الدماغ البحث .[2]منتدى

نموذج مثالي من حاجز الدم في الدماغ في المختبر ( BBB ) ينبغي تكرار السمات الرئيسية BB في الجسم الحي ، بما في ذلك :

ل الخلايا البطانية ( ECS ) تشكيل هيكل ثلاثي الأبعاد مثل الأوعية الدموية

ل التفاعل بين الخلايا

ل إجهاد القص الناجم عن تدفق السوائل في الخلايا البطانية

ل رقيقة مسامية الغشاء القاعدي ( BM )

محاكاة حاجز الدم في الدماغ في المختبرواحدة من التحديات هو دقة نسخ الغشاء القاعدي الطبيعي الذي يلعب دورا رئيسيا في تمايز الخلايا ، والتوازن في الجسم الحي ، وصيانة الأنسجة ، والدعم الهيكلي . ومن الناحية المثالية ، ينبغي أن تكون مصنوعة من الأغشية الاصطناعية الركيزة حيويا المواد مع سمك حوالي 100 نانومتر .

تصميم معدات ميكروفلويديك

تصميم ساندويتش

إن microfluidic حاجز الدم في الدماغ ( BBB ) تصميم يتميز اثنين من الطبقات العليا والسفلى polydimethylsiloxane ( PDMS ) قنوات مفصولة مسامية الغشاء . فيلم البولي مع حجم المسام تتراوح بين 0.2 إلى 3 ميكرون يستخدم عادة ، على غرار نظام ترانسويل . الخلايا البطانية عادة ما تكون مزروعة في القناة العليا ، في حين أن pericytes النجمية , أو غيرها من خلايا الدماغ المثقف في الطبقة السفلى من القناة .

الأغشية الشفافة الأخرى ، مثل بولي تترافلوروإيثيلين ، يمكن تحقيق دقة عالية التصوير وكذلك في الوقت الحقيقي رصد النقل الجزيئي ونمو الخلايا . وبالإضافة إلى ذلك ، عكس خلية التلقيح التكوين ، أي زراعة الخلايا البطانية ( ECS ) في ثلاثة أبعاد الأوعية الدموية مثل هيكل في الطبقة السفلى من القناة ، و في نفس الوقت تلقيح pericytes و الخلايا النجمية في الطبقة العليا من القناة ، يمكن أن تعزز مراقبة التفاعل بين الخلايا .

الشكل 1حاجز الدم في الدماغ ساندويتش تصميم على رقاقة . ( أ ) مخطط تفصيلي للرقائق ، بما في ذلك الأجزاء العلوية والسفلية ،

كل منها يحتوي على ثماني قنوات مفصولة مسامية PDMS الأغشية . ( ب ) رسم تخطيطي لتصميم المعدات ذات الطابقين ،

ميزة هي أن اثنين من مكونات PDMS متطابقة ، واحدة مقلوب و المستعبدين مع بعضها البعض . ( ج ) عرض ثمانية شروط مختلفة لتوليد معدات من طابقين[2]

1-2 التصميم الموازي

اثنين من قنوات أفقية مفصولة PDMS صفائف متناهية ، بدلا من التقليدية البولي فيلم[3]هذا التصميم يمكن أن تكون cocultured مع الخلايا النجمية أو الخلايا السرطانية في الدماغ ، وتبسيط عملية التجميع دون الحاجة إلى مزيد من التعديل الكيميائي . تخطيط مستو يحسن التفاعل بين الخلايا و تأثير التصوير . . .

فائدة نموذج يتميز في ذلك فائدة نموذج يتم توفيرها مع الأنسجة الوسيطة المقصورة ، كلا الجانبين من نماذج المنفعة هي اثنين من الأوعية الدموية مع قنوات السائل مدخل الموانئ ، نماذج المنفعة هي التي شنت على شريحة زجاجية من المجهر و تقدم مع الأنابيب البلاستيكية المستخدمة في الوصول إلى القنوات .

الشكل 2رقاقة على صورة حاجز الدم في الدماغ . أ - رسم تخطيطي يبين قسم الأنسجة في مركز المعدات ،

تحيط بها اثنين من قنوات الأوعية الدموية منفصلة مع السوائل التي تدخل الفتحات . مخطط خلية ثقافة في هذا التصميم .

المعدات التي يتم تجميعها على شريحة مجهرية مزودة أنابيب بلاستيكية ( الأزرق الداكن ) التي يمكن أن تدخل كل قناة الأوعية الدموية والأنسجة المقصورة .[3]منتدى

تصميم ثلاثي الأبعاد هيكل أنبوبي

التقليدية PDMS μ BBB نموذج يستخدم مستطيلة متناهية ، مما يؤدي إلى تدفق غير منتظم ، غير موحدة إجهاد القص ، مما يؤثر على سلوك الخلايا البطانية . من أجل تحسين هذه المشكلة ، بعض النماذج التي تستخدم أسطواني ميكروتشانيلس موحدة إجهاد القص ، مثل 3D الكولاجين القائم على أنابيب الاوعية الدموية الدقيقة ( 75-150 ميكرون في القطر ) التي تسيطر عليها بدقة من خلال تدفق السائل ، ودمجها في μ BB المعدات .

الشكل 3رسم المخ نظام الاوعية الدموية الدقيقة[4]

حاجز الدم في الدماغ رقاقة جهاز تجريبي

رقاقة متكاملة حاجز الدم في الدماغ جهاز تجريبي :

1. OB1 تحكم تدفق

2. مشعب

3. مكس صمام إعادة التدوير

4. مكس توزيع صمام

5. مكس ترافيرس

6. صمام ثلاثي / اتجاهين

7. ميكروفلويديك استشعار التدفق

8. المفاصل ، الأنابيب ، ورور المفاصل

9. خزان السائل

10. ميكروفلويديك رقاقة نموذج حاجز الدم في الدماغ

11. ميكروفلويديك البرمجيات

2-1 نقاط القوة في معدات Elveflow

1 . OB1 تحكم الضغط

ل دقة التحكم في تدفق السوائلOB1 يستخدم منظم كهرضغطية ، ويمكن تحقيق سريع ومستقر تنظيم الضغط . هذا النوع من الدقة يضمن بيئة ميكروفلويديك يمكن أن تحاكي الظروف الفسيولوجية عن كثب ، وهو أمر ضروري من أجل دقة تكرار الخصائص الديناميكية حاجز الدم في الدماغ .

ل دينامية قدرة الترويةالحفاظ على إجهاد القص السليم أمر بالغ الأهمية من أجل وظيفة الخلايا البطانية في حاجز الدم في الدماغ على رقاقة . ob1 يسمح التحكم في تدفق السوائل ، ودينامية نضح ، محاكاة تدفق الدم في الجسم الحي ، وبالتالي تعزيز العلاقة الفسيولوجية من النموذج .

2. مكس توزيع صمام

ل التلقائي حقن متسلسلصمام يسمح الكواشف والأدوية أو وسائل الإعلام ليتم تسليمها إلى حاجز الدم في الدماغ رقاقة . هذا النوع من التشغيل الآلي مهم جدا في ديناميكية نضح التجربة التي تحاكي عن كثب في الجسم الحي .

3. مكس صمام إعادة التدوير

ل محاكاة حالة تدفق الفسيولوجيةMUX إعادة تدوير جهاز يسمح دقيقة للبرمجة إعادة تدوير السوائل ، والتي هي ضرورية لتكرار إجهاد القص و ديناميكا السوائل من الخلايا البطانية في حاجز الدم في الدماغ .

ل التحكم في الدورة الدموية يضمن واقعية نمط تدفق الدمهذا أمر حيوي للحفاظ على الشكل والوظيفة من الخلايا البطانية .

ل فحص المخدرات والسميةالمخدرات أو جسيمات متناهية الصغر التي أدخلت بطريقة يمكن السيطرة عليها وإعادة تدويرها لدراسة تفاعلها مع حاجز الدم في الدماغ على مر الزمن .

ل دينامية نظام cocultureفإنه يضمن استمرار نضح ، وهو أمر حيوي من أجل بقاء الخلية والحفاظ على اتصال وثيق .

ل الحد من مخاطر التلوثحلقة مغلقة إعادة تدوير يقلل كثيرا من خطر التلوث ، الذي هو التحدي المشترك في فتح نظام الري .

مجالات التطبيق

أمراض الجهاز العصبي النمذجة

ل أورام الدماغحاجز الدم في الدماغ ( BBB ) نموذج يستخدم لدراسة التفاعل بين خلايا دبقي الأولية ( العوامل الرئيسية في غزو الورم الدماغي ) في البيئة . وبالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام نظام حاجز الدم في الدماغ في المختبر يمكن أن نفهم بوضوح آلية ورم خبيث في الدماغ . من خلال دمج المريض المستمدة من ورم أرومي دبقي المجالات في نظام ميكروفلويديك ، هذه النماذج توفر منصة فعالة لفحص المخدرات مع قدرة قوية على قتل الورم .

ل الاضطرابات العصبيةردود الفعل الالتهابية في الأمراض العصبية الناجمة عن تراكم وهجرة الخلايا المناعية ( بما في ذلك العدلات والخلايا الدبقية والخلايا النجمية ) . في نماذج من أمراض الجهاز العصبي ، مثل مرض الزهايمر ، التهاب العصب هو بدافع تنشيط الخلايا الدبقية الصغيرة والخلايا النجمية . تنشيط الخلايا المناعية الافراج عن السيتوكينات الالتهابية ، بما في ذلك عامل نخر الورم ( TNF ) - ألفا انترلوكين ( IL - 1 ) . في هذه العملية ، السيتوكينات والخلايا المناعية يمكن أن تدمر حاجز الدم في الدماغ ( BBB ) ، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى الدم تتسرب إلى الدماغ ، مما تسبب في تلف أنسجة المخ لا رجعة فيه .

3-2 بحوث علم الأعصاب

السيطرة على المكروية حول الخلايا العصبية في microfluidic منصة ، بما في ذلك التفاعل بين الخلايا و المصفوفة خارج الخلية ( ECM ) ، يمكن أن تخلق المكروية مماثلة في الجسم الحي عن تمايز الخلايا الجذعية العصبية في مكونات الجهاز العصبي .

من خلال الجمع بين تقنية ميكروفلويديك مع neurobiology ، بعض التحديات التقنية في هذا المجال يمكن حلها ، مثل زراعة الخلايا العصبية في الجهاز العصبي المركزي ( الجهاز العصبي المركزي ) ، وفصل المحاور ، الزخرفة من مثقف الخلايا العصبية ، وتوجيه نمو الخلايا العصبية لمحاكاة المحاور الضرر ، فضلا عن دراسة محلية تخليق البروتين ، المحاور التجديد و النقل .

3-3 تطوير العقاقير في المختبر

على رقاقة نظام حاجز الدم في الدماغ ( BBB ) يوفر جودة عالية لتقييم نفاذية المخدرات عبر BBB في دينامية الظروف الفسيولوجية .منصة ، والحد من النموذج التقليدي في المختبر هو حلها . أنها يمكن أن تستخدم لتقييم المخدرات محملة النانوية ، بما في ذلك مستقبلات بوساطة transcytosis و nanocarriers الأمثل التسليم المستهدفة في الجهاز العصبي المركزي . من خلال تكرار التعقيد الخلوي من حاجز الدم في الدماغ ، وهذه النماذج تساعد على اختبار neuroprotective وكلاء والأجسام المضادة في ظروف معينة من المرض . أجهزة الاستشعار المتكاملة يمكن أن توفر نظرة ثاقبة المخدرات سمية ، نشاط الخلايا العصبية و متشابك السلوك . استخدام الخلايا المشتقة من المريض ، والتي تدعم فحص المخدرات الفردية والبحث عن مرض معين[4]منتدى

دراسة محور الدماغ على رقاقة

multiorgan ميكروأري يوفر منصة ممتازة لدراسة التفاعل بين الدماغ وغيرها من الأجهزة في سياق الأمراض وتطوير الأدوية . أنها يمكن أن تدرس الظروف المعقدة ، مثل الانبثاث الدماغ من سرطان الرئة ، حيث أنها يمكن أن تتكرر و دراسة العمليات الحيوية بالتفصيل . هذه الرقائق يمكن أن تساعد أيضا في الكشف عن مسارات الاتصال في الكائنات الحية الدقيقة - الأمعاء - محور الدماغ و توضيح كيفية صحة الأمعاء يؤثر على أمراض الجهاز العصبي . multiorgan رقاقة يوفر نهجا شاملا لفهم الأمراض الجهازية من خلال محاكاة النظم العضوية المترابطة ، مثل الكبد - الدماغ محور في الدماغ الكبدي أو من خلال تنظيم المناعة من الدماغ - الطحال المحور . قدرتها على محاكاة دينامية البيئة الفسيولوجية تشجع البحوث الرائدة في مجال الاتصالات بين الأجهزة وتطوير العلاج .

المراجع

1. إكس تشن؛ ج. ليو؛ ل. موك ؛ C. Zeng و Y. Li، تصميم نموذج BBB ديناميكي ثلاثي الأبعاد على الشريحة وتطويره وتطبيقاته في الأمراض العصبية والخلايا ، 2021

2. م. زاخاروفا؛ م. أ. بالما دو كارمو؛ م. و. فان دير هيلم؛ H. Le-The ؛ السيد ن. س. دي غراف؛ ف. أورلوفا ؛ أ. فان دن بيرغ؛ A. D. van der Meer ؛ K. Broersen و L. I. Segerink ، عضو حاجز الدم والدماغ المتعدد على الشريحة ، مختبر على الشريحة ، 2020.

3. S. P. ديوساركار ؛ باء - براباكاربانديان؛ باء - وانغ؛ جيه بي شيفيلد؛ B. Krynska و M. F. Kiani ، حاجز الدم والدماغ الديناميكي الجديد على رقاقة ، PlosOne ، 2015

4. جيه إيه كيم إتش إن كيم؛ س-ك. أنا س. تشونغ؛ J.Y. Kang و N.Choi ، نموذج الدماغ الدقيق القائم على الكولاجين في المختبر باستخدام قالب مطبوع ثلاثي الأبعاد ، Biomicrofluidics ، 2015

5. X. وانغ؛ و. هو؛ X. آي؛ ج. صن؛ ب. شو؛ X. مينغ؛ Y. Zhang و S. Zhang ، التطبيقات المحتملة للحاجز الدموي الدماغي القائم على السوائل الدقيقة (BBB) على الشرائح لتطوير الأدوية في المختبر ، الطب الحيوي والعلاج الدوائي ، 2020