仿生血脑屏障芯片用于脑部真菌感染的研究
血脑屏障（BBB）是一种独特的选择性屏障，能够限制外源分子和致病因子侵入脑部，起到保护大脑的作用。然而，正是由于这一独特的屏障，许多针对脑部疾病的新药研发在动物模型上都遇到了瓶颈。因此，查明跨越血脑屏障的生理机制对于研究脑部疾病至关重要。目前，动物模型和2D Transwell系统是研究脑部疾病的常用模型，然而它们都无法完整地呈现人体血脑屏障的功能和结构。
鉴于此，韩国首尔延世大学的Jin Kim团队开发了一种具有血脑屏障功能的神经血管单元（hNVU）芯片，作为研究真菌感染大脑的体外模型。
hNVU由三个平行通道组成，中央通道用于3D水凝胶包裹的神经干细胞（NSC）培养，其他通道设计用于内皮细胞（EC）和PC（周皮细胞）培养。该研究采用了垂直芯片设计，不仅能够提高空间利用率，而且能够诱导发生真菌被动捕获的感染过程。
图1 | 3D微流控hNVU芯片示意图
随后，研究者探究了hNVU芯片3D细胞外基质（ECM）水凝胶培养的最佳条件。研究者设置了两组实验来研究水凝胶表面涂布对EC层形成的影响，一组只在水凝胶表面涂布胶原蛋白（Collagen I），另一组涂布胶原蛋白和多聚赖氨酸（PPL）。结果表明在后者条件下形成的EC层更加均匀紧密。
图2 | 不同涂布物对EC层形成的影响
研究者进一步探究了3D细胞外基质水凝胶的最佳比例。人脑细胞外基质富含I型胶原蛋白和透明质酸这两种成分，其中透明质酸在被儿茶酚修饰后（HA-CA）对细胞的黏附性能得到进一步提升。因此，研究者采用I型胶原蛋白和HA-CA制备了脑混合细胞外基质（BHEM）水凝胶。研究发现水凝胶的最佳组成比例为3.7mg/ml胶原蛋白和7.1mg/ml HA-CA。
图3 | 水凝胶成分及比例的优化
接下来，研究者为了优化培养基条件，进一步设计了两种混合培养基：NE培养基（混合神经干细胞培养基和血管内皮细胞培养基）以及NEP培养基（除了前两种培养基，再加入周皮细胞培养基）。通过qPCR方法检测各培养基培养后的细胞的基因表达，结果发现NEP培养的效果最佳，Tuj1、GFAP（胶质细胞标记物）和P-gp的表达都保持在较高的水平。
图4 | 培养基条件的优化
接着，研究者使用hNVU芯片研究真菌性脑膜炎病原体新生隐球菌的脑感染机制，并将其与不引起真菌性脑膜炎的C. glabrata（光滑念珠菌）和C. deuterogattii（真菌病原体隐球菌）作比较。在共享EC层的脑芯片和肝芯片中，新生隐球菌表现出了脑靶性。这也证实了新生隐球菌优先感染大脑，导致患者出现较高死亡率，而C. deuterogattii具有相对较低的神经嗜性，主要导致肺部疾病。
图5 | 新生隐球菌感染的多器官hNVU芯片模型
总之，与传统的Transwell系统相比，hNVU芯片更好地模拟了血脑屏障的生理结构。使用hNVU芯片能够系统地分析病原体的脑感染机制，并为治疗脑部感染的药物研发提供了一个通用、高效的筛选平台。
参考文献：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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