Introducción del chip de barrera hematoencefálica microfluídica

Barrera hematoencefálicaEl BBB es una barrera selectiva que protege el cerebro y el sistema nervioso central (cns) y mantiene un entorno interno estable. Está compuesto por células endoteliales, células periféricas, células gliales y matriz extracelular que garantizan la integridad de la barrera. La disfunción de la barrera hematoencefálica está relacionada con enfermedades como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de parkinson, lo que permite que sustancias nocivas entren en el sistema nervioso central. Los modelos actuales de barrera hematoencefálica son capaces de estudiar mejor estas enfermedades desarrollando terapias dirigidas e identificando posibles sustancias exóticas neurotóxicas, lo que representa un paso importante hacia adelante en el campo de la neurociencia y la farmacología.^[1-2].

Estudio tradicional de la barrera hematoencefálicaLos métodos de bbb, como los experimentos de cámara pequeña de transwell y los modelos animales, tienen limitaciones como la simplificación excesiva, la mala correlación fisiológica y las diferencias de especies y géneros.

Modelo de barrera hematoencefálica microfluídicaMu bbb) resuelve estos problemas simulando la función de barrera hematoencefálica en el cuerpo a través de un sistema de ingeniería. Estos modelos son capaces de controlar con precisión el entorno, apoyar el cocultivo celular, aplicar tensiones de corte y replicar las condiciones ambientales del cerebro humano. El dispositivo de barrera hematoencefálica microfluídica es capaz de realizar imágenes de alta resolución, monitoreo celular y análisis de reacciones extracelulares, convirtiéndolo en una herramienta ideal para la investigación de enfermedades del sistema nervioso central, detección terapéutica y pruebas de neurotoxicidad. Proporcionan un gran potencial para avanzar en la investigación de la barrera hematoencefálica.^[2].

Una barrera hematoencefálica extracorpórea ideal..El modelo bbb) debe replicar las características clave de la barrera hematoencefálica en el cuerpo, incluyendo:

lCélulas endotelialesEcs) forma una estructura similar a un vaso sanguíneo 3D

lInteracción intercellular

lTensión de corte producida por el flujo de fluidos en las células endoteliales

lUna película base delgada y poroso..BM)

Simulación de la barrera hematoencefálica in vitroTenerUno de los aspectos desafiantes es la replicación precisa de la Membrana basal natural, que juega un papel clave en la diferenciación celular, el equilibrio interno, el mantenimiento tisular y el apoyo estructural. Idealmente, la Membrana basal artificial debe fabricarse utilizando materiales biocompatibles con un espesor de aproximadamente 100 nanómetros.

1 diseño de equipos de control de microfluídicos

1.1 diseño de sándwiches en cascada

Este diseño de barrera hematoencefálica microfluídica se caracteriza por dos capas de polidimetilsiloxano superior e inferior.Canal pdms), separado por una membrana poroso en el medio. Por lo general, se utilizan películas de policarbonato con un rango de poros de 0,2 a 3 micras, similares a los sistemas transwell. Las células endoteliales generalmente se inoculan en canales superiores, mientras que las células periféricas, astrocitos u otras células cerebrales se cultivan en canales inferiores.

Otras membranas transparentes, como el ptfe, permiten imágenes de alta resolución y monitoreo en tiempo real del transporte biomolecular y el crecimiento celular. Además, se invierte la configuración de vacunación celular, es decir, el cultivo de células endoteliales en una estructura similar a un vaso tridimensional del Canal subyacente.ECs）， Al mismo tiempo, la inoculación de células periféricas y astrocitos en el canal superior puede mejorar la observación de la interacción entre las células.

Imagen1 Ilustración del diseño del sándwich de barrera hematoencefálica en el chip. （R) el mapa de descomposición del chip, incluidas las partes superior e inferior,

Cada uno contiene ocho canales, compuestos por poros Separación de película pdms. (b) diagrama esquemático del diseño del equipo de dos pisos,

Caracterizado por dos idénticos Componentes pdms, uno invertido y unido al otro. (c) muestra ocho condiciones diferentes generadas en un dispositivo de dos capas^[2]

1.2 diseño paralelo

Dos canales dispuestos horizontalmente son La matriz de microcanales pdms está separada y reemplaza la película tradicional de policarbonato por una "membrana" de microcuerpos basada en pdms (brecha de 3 micras).^[3]. Este diseño permite cocultivar con astrocitos o células tumorales cerebrales y simplifica el proceso de ensamblaje sin necesidad de modificaciones químicas adicionales. El diseño plano mejora la interacción intercellular y el efecto de imagen.

El dispositivo se caracteriza por tener un compartimento tisular con dos accesos vasculares con entrada de fluidos a ambos lados, ensamblados en láminas de vidrio del microscopio, con tubos de plástico para la entrada.

Imagen2 Imagen de la barrera hematoencefálica en el chip.R. el diagrama esquemático muestra el compartimento de organización del Centro del equipo,

Rodeados de dos canales vasculares independientes, hay fluidos que entran en la apertura.Diagrama esquemático del Cultivo celular en este diseño.

C. el equipo está montado sobre una lámina de vidrio del microscopio y está equipado con un tubo de plástico (azul oscuro) que permite acceder a varios canales vasculares y compartimentos tisulares^[3].

1.3 diseño de estructuras tubulares tridimensionales

TradiciónEl modelo pdms μbbb utiliza microcanales rectangulares, lo que resulta en un flujo desigual y una fuerza de corte desigual, lo que afecta el comportamiento de las células endoteliales. Para mejorar este problema, algunos modelos utilizan microcanales cilíndricos para cizallar uniformemente, como tubos microvasculares basados es es en colágeno 3D (75 - 150 micras de diámetro), que controlan con precisión el diámetro del tubo a través del flujo del fluido e integran en el dispositivo mubbb.

Imagen3 Ilustración del sistema microvascular cerebral^[4]

2 dispositivo experimental del chip de barrera hematoencefálica

Dispositivo experimental de barrera hematoencefálica integrado en el chip:

1. Controlador de flujo ob1

2. Maniquí

3. Válvula de recirculación mux

4. Válvula de distribución mux

5. Alambre mux

6. Tres enlaces / válvula de dos vías

7. Sensor de flujo microfluídico

8. Juntas, tuberías y juntas Rull

9. Tanque de almacenamiento de líquido

10. Chip microfluídico para modelos de chips de barrera hematoencefálica

11. Software de control de microflujo

2,1 puntos se convierten en la ventaja del dispositivo elveflow

1. controlador de presión ob1

lControl preciso del flujo de fluidos:El ob1 utiliza un regulador piezoeléctrico para lograr un ajuste de presión rápido y estable. Esta precisión garantiza que el entorno microfluídico pueda simular estrechamente las condiciones fisiológicas, lo que es crucial para replicar con precisión las características dinámicas de la barrera hematoencefálica.

lCapacidad de infusión dinámica: en el dispositivo de barrera hematoencefálica en el chip, el mantenimiento de un esfuerzo de corte adecuado es crucial para la función de las células endoteliales.El ob1 permite controlar el flujo de fluidos, lograr una infusión dinámica y simular las condiciones de flujo sanguíneo en el cuerpo, mejorando así la correlación fisiológica del modelo.

2. Válvula de distribución mux

lInyección automática secuencial: la válvula permite el transporte de varios reactivos, medicamentos o medios de cultivo al chip de barrera hematoencefálica de acuerdo con el procedimiento. Esta automatización es esencial para realizar experimentos de infusión dinámica que simulan estrechamente las condiciones del cuerpo y mejoran la correlación fisiológica del modelo.

3. Válvula de recirculación mux

lSimulación de condiciones de flujo fisiológico:El dispositivo de recirculación mux permite un recirculación preciso y programático de los fluidos, que es esencial para replicar los esfuerzos de cizallamiento y la hidrodinámica experimentados por las células endoteliales en la barrera hematoencefálica.

lEl reciclaje controlado garantiza un patrón de flujo sanguíneo real: Esto es esencial para mantener la morfología y función de las células endoteliales.

lPruebas de fármacos y cribado de toxicidad: introducir fármacos o nanopartículas de manera controlable y reciclarlas para estudiar su interacción con la barrera hematoencefálica a lo largo del tiempo.

lSistema dinámico de cocultivo: garantiza una infusión continua, esencial para la vitalidad celular y el mantenimiento de una estrecha conexión.

lReducir el riesgo de contaminación: recirculación en circuito cerradograndeSe reduce al mínimo el riesgo de contaminación, un desafío común en los sistemas de infusión abiertos.

3 áreas de aplicación

3.1 modelado de enfermedades neurológicas

lTumores cerebrales: barrera hematoencefálicaEl modelo BBB se utiliza para estudiar la interacción de las células iniciales del Glioma (un factor clave en la invasión de tumores cerebrales) en su entorno. Además, el uso del sistema de barrera hematoencefálica in vitro puede comprender más claramente el mecanismo de metástasis de tumores cerebrales. Al integrar las esferas de Glioblastoma de origen del paciente en sistemas microfluídicos, estos modelos proporcionan una plataforma eficiente para la detección de medicamentos con una fuerte capacidad de destrucción tumoral.

lEnfermedad por disfunción neurológica: la respuesta inflamatoria en la neuropatía es causada por la acumulación y migración de células inmunes, incluidos neutrófilos, gliales y astrocitos. En modelos de enfermedades neurológicas como la enfermedad de alzheimer, la neuroinflamación es impulsada por la activación de microglias y astrocitos. Las células inmunes activadas liberan citocinas inflamatorias, incluido el factor de necrosis tumoral..Tnf) - alfa e il - 1. Durante esta reacción, las citocinas y las células inmunes destruyen la barrera hematoencefálica (bbb), lo que a menudo hace que la sangre penetre en el cerebro, causando así daños irreversibles en el tejido cerebral.

3.2 investigación neurobiológica

Controlar el microambiente alrededor de las células nerviosas dentro de la Plataforma microfluídica, tanto entre las células como entre las células y la matriz extracelular..La interacción entre ecm) puede crear un microambiente similar al cuerpo para que las células madre nerviosas se diferencien en componentes del sistema nervioso.

Al combinar técnicas de microfluídico con neurobiología, se pueden resolver algunos de los desafíos técnicos en este campo, como el cultivo del sistema nervioso central.Cns) neuronas, separación de axones, caracterización de neuronas cultivadas, orientación del crecimiento de los axones para simular el daño de los axones y estudio de la síntesis local de proteínas, regeneración de axones y transporte de axones dentro de los axones.

3.3 Desarrollo de medicamentos in vitro

El sistema de barrera hematoencefálica en el chip proporciona una plataforma para evaluar la permeabilidad de los medicamentos a través de la barrera hematoencefálica en condiciones dinámicas y fisiológicas relacionadas, resolviendo las limitaciones de los modelos in vitro tradicionales. Son capaces de evaluar las nanopartículas cargadas de fármacos, incluida la citosis mediada por receptores y la optimización de nanotransportistas para la entrega dirigida al sistema nervioso central. Al replicar la complejidad celular de la barrera hematoencefálica, estos modelos ayudan a probar neuroprotectores y anticuerpos en condiciones específicas de la enfermedad. Los sensores integrados permiten comprender en profundidad la toxicidad de los medicamentos, la actividad neuronal y el comportamiento sináptico. Usando células de origen paciente, apoyan la detección personalizada de fármacos y la investigación dirigida a enfermedades específicas^[4].

3.4 investigación del eje cerebral en el chip

El chip multiorgánico proporciona una plataforma para estudiar la interacción entre el cerebro y otros órganos en el contexto de la enfermedad y el desarrollo de medicamentos. Son capaces de estudiar patologías complejas, como las metástasis cerebrales del cáncer de pulmón, en las que se pueden replicar y detallar los procesos dinámicos. Estos chips también ayudan a revelar la microbiota - vías de comunicación en el eje intestinal - cerebral que aclaran cómo la salud intestinal afecta a las enfermedades neurológicas. Al simular sistemas de órganos interconectados, como el eje hígado - cerebro en la Encefalopatía hepática o a través de la inmunomodulación del eje cerebro - bazo, el chip multiorgánico proporciona un enfoque integral para entender las enfermedades sistémicas. Su capacidad para simular entornos fisiológicos dinámicos ha facilitado investigaciones pioneras en la comunicación interorgánica y el desarrollo terapéutico.

Referencias

1. X. Chen; C. Liu; L. Muok; C. Zeng y Y. Li, Diseño, desarrollo y aplicaciones de modelos BBB dinámicos 3D en chip en enfermedades neurológicas, células, 2021

2. M. Zakharova; M. A. Palma do Carmo; M. W. van der Helm; H. Le-El; M. N. S. de Graaf; V. Orlova; A. van den Berg; A. D. van der Meer; K. Broersen y L. I. Segerink, Órgano en chip de barrera hematoencefálica multiplexada, Laboratorio en un chip, 2020.

3. S. P. Deosarkar; B. Prabhakarpandian; B. Wang; J. B. Sheffield; B. Krynska y M. F. Kiani, Una nueva barrera sanguíneo-cerebral neonatal dinámica en un chip, PlosOne, 2015

4. J.A. Kim; H.N. Kim; S-K. Estoy; S. Chung; J.Y. Kang y N.Choi, Modelo de microvasculatura cerebral basado en colágeno in vitro utilizando plantilla impresa tridimensional, Biomicrofluidics, 2015

5. X. Wang; Y. Hou; X. Ai; J. Sun; B. Xu; X. Meng; Y. Zhang y S. Zhang, Aplicaciones potenciales de la barrera hematoencefálica (BBB) basada en microfluidica en chips para el desarrollo de fármacos in vitro, Biomedicina y Farmacoterapia, 2020