Microfluidic Blood brain Barrier Chip Aperçu

Barrière hémato - encéphalique (Bbb) est une barrière sélective qui protège le cerveau et le système nerveux central (SNC) et maintient un environnement interne stable. Il est composé de cellules endothéliales, de péricytes, de cellules gliales et d'une matrice extracellulaire qui assure l'intégrité de la barrière. Le dysfonctionnement de la barrière hémato - encéphalique, associé à des maladies telles que la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson, permet aux substances nocives d'entrer dans le système nerveux central. Les modèles actuels de barrière hémato - encéphalique permettent de mieux étudier ces maladies en développant des thérapies ciblées, en identifiant des substances étrangères potentiellement neurotoxiques, ce qui représente un pas en avant important dans le domaine des neurosciences et de la pharmacologie.^[1-2]- Oui.

Recherche traditionnelle sur la barrière hémato - encéphalique (Les méthodes de bbb), telles que les expériences à petite chambre de transwell et les modèles animaux, présentent des limites telles qu'une simplification excessive, une mauvaise corrélation physiologique et des différences entre les genres.

Modèle de barrière hémato - encéphalique microfluidique (μbbb) résout ces problèmes en modélisant la fonction de barrière hémato - encéphalique in vivo par des systèmes d'ingénierie. Ces modèles permettent un contrôle précis de l'environnement, soutiennent la co - culture cellulaire, appliquent des contraintes de cisaillement et reproduisent les conditions environnementales du cerveau humain. Le dispositif de barrière hémato - encéphalique microfluidique est capable d'effectuer une imagerie à haute résolution, une surveillance intracellulaire et une analyse de la réponse extracellulaire, ce qui en fait un outil idéal pour la recherche sur les maladies du système nerveux central, le dépistage thérapeutique et les tests de neurotoxicité. Ils offrent un grand potentiel pour faire progresser la recherche sur la barrière hémato - encéphalique^[2]- Oui.

Une barrière hémato - encéphalique idéale in vitro (Bbb) Le modèle doit reproduire les caractéristiques clés de la barrière hémato - encéphalique in vivo, notamment:

lCellules endothéliales (EC) pour former une structure vasculaire 3D

lInteractions intercellulaires

lStress de cisaillement généré par l'écoulement de fluide sur les cellules endothéliales

lUne couche mince et poreuse de film de base (BM)

Simulation de la barrière hémato - encéphalique in vitroAvecL'un des aspects difficiles est la réplication précise de la Membrane basale naturelle, qui joue un rôle clé dans des processus tels que la différenciation cellulaire, l'homéostasie, le maintien des tissus et le soutien structurel. Idéalement, le film de substrat artificiel doit être fabriqué à l'aide d'un matériau biocompatible d'une épaisseur d'environ 100 nanomètres.

1 conception d'équipement Microfluidique

1.1 conception sandwich conception en cascade

Cette conception de barrière hémato - encéphalique microfluidique est caractérisée par deux couches de Polydiméthylsiloxane supérieures et inférieures (PDMS) canaux séparés au milieu par une membrane poreuse. On utilise généralement des films de polycarbonate dont la taille des pores varie de 0,2 à 3 microns, comme dans le système transwell. Les cellules endothéliales sont généralement ensemencées dans les canaux supérieurs, tandis que les péricytes, astrocytes ou autres cellules cérébrales sont cultivées dans les canaux inférieurs.

D'autres Membranes transparentes, telles que le polytétrafluoroéthylène, permettent une imagerie haute résolution ainsi qu'une surveillance en temps réel du transport des biomolécules et de la croissance cellulaire. De plus, la configuration d'ensemencement cellulaire est inversée, c'est - à - dire que les cellules endothéliales sont cultivées dans une structure vasculaire tridimensionnelle du canal sous - jacent (ECs）， L'inoculation simultanée des péricytes et des astrocytes dans les canaux supérieurs améliore l'observation des interactions intercellulaires.

Figure1 Illustration de la conception de sandwich barrière hémato - encéphalique sur puce. （A) une vue éclatée de la puce, y compris les parties supérieure et inférieure,

Contenant chacun huit canaux, composés de pores Séparation par membrane PDMS. (b) une représentation schématique de la conception de l’équipement à deux étages,

Les caractéristiques sont deux identiques Pièces PDMS, l'une inversée et collée à l'autre. (c) affichage générant huit conditions différentes dans un dispositif à deux couches^[2]

1.2 conception parallèle

Deux canaux disposés horizontalement par Séparation des réseaux de microcanaux PDMS, remplacement des membranes traditionnelles en polycarbonate par des « membranes» de microcolonnes à base de PDMS (écart de 3 microns)^[3].Cette conception permet la co - culture avec des astrocytes ou des cellules tumorales cérébrales et simplifie le processus d'assemblage sans modification chimique supplémentaire. La disposition plane améliore les interactions intercellulaires et les effets d'imagerie.

L'appareil se caractérise par un compartiment tissulaire flanqué de deux canaux vasculaires avec des orifices d'entrée de fluide, assemblés sur une lame de microscope et équipés de tubes en plastique pour les canaux d'entrée.

Figure2 Image de la barrière hémato - encéphalique sur puce.A. Représentation schématique montrant le compartiment de tissu au centre de l'équipement,

Entouré de deux canaux vasculaires indépendants avec des ouvertures d'entrée de fluide.B. Représentation schématique de la culture cellulaire dans cette conception.

C. l'appareil est assemblé sur une lame de microscope avec un tube en plastique (bleu foncé) donnant accès à divers canaux vasculaires et compartiments tissulaires^[3]- Oui.

1.3 conception de Structure tubulaire tridimensionnelle

La traditionLe modèle μbbb de PDMS utilise des microcanaux rectangulaires, ce qui entraîne un flux inégal et des forces de cisaillement inégales qui affectent le comportement des cellules endothéliales. Pour améliorer ce problème, certains modèles utilisent des microcanaux cylindriques pour une force de cisaillement uniforme, tels que des tubes microvasculaires à base de collagène 3D (diamètre 75 - 150 µm), un contrôle précis du diamètre du tube par le débit de fluide et une intégration dans un appareil μbbb.

Figure3 Illustration du système microvasculaire cérébral^[4]

2 dispositif expérimental de puce de barrière hémato - encéphalique

Dispositif expérimental de barrière hémato - encéphalique intégré sur puce:

1. Contrôleur de débit ob1

2. Collecteur

3. Vanne de recirculation Mux

4. Valve de distribution Mux

5. Le fil Mux

6. Trois voies / valve à deux voies

7. Capteur de débit Microfluidique

8. Raccords, tuyaux et raccords Ruhr

9. Réservoir de liquide de stockage

10. Puce microfluidique pour modèle de puce barrière hémato - encéphalique

11. Logiciel Microfluidique

2.1 avantages de l'équipement elveflow

1. Contrôleur de pression ob1

lContrôle précis du débit de fluidePour:Ob1 utilise un régulateur piézoélectrique qui permet une régulation rapide et stable de la pression. Cette précision garantit que l'environnement microfluidique peut imiter étroitement les conditions physiologiques, ce qui est essentiel pour reproduire avec précision les propriétés dynamiques de la barrière hémato - encéphalique.

lCapacité de perfusion dynamique: dans les dispositifs de barrière hémato - encéphalique sur puce, le maintien de contraintes de cisaillement appropriées est essentiel au fonctionnement des cellules endothéliales.Ob1 permet de contrôler le flux de fluide, de réaliser une perfusion dynamique et de simuler les conditions de circulation sanguine in vivo, améliorant ainsi la pertinence physiologique du modèle.

2. Valve de distribution Mux

lInjection séquentielle automatique: Cette vanne permet la livraison programmée de divers réactifs, médicaments ou milieux de culture dans une puce de barrière hémato - encéphalique. Cette automatisation est essentielle pour mener des expériences de perfusion dynamique qui simulent étroitement les conditions in vivo, améliorant la pertinence physiologique du modèle.

3. Vanne de recirculation Mux

lSimulation des conditions physiologiques d'écoulementPour:Le dispositif de recirculation Mux permet une recirculation précise et Programmable du fluide, essentielle pour reproduire les contraintes de cisaillement et la dynamique des fluides subies par les cellules endothéliales dans la barrière hémato - encéphalique.

lLa recirculation contrôlée assure un mode de circulation sanguine réaliste: Ceci est essentiel pour maintenir la morphologie et la fonction des cellules endothéliales.

lTests pharmaceutiques et dépistage de la toxicité: introduire des médicaments ou des nanoparticules de manière contrôlée et les faire recycler pour étudier leur interaction avec la barrière hémato - encéphalique au fil du temps.

lSystème de co - culture dynamique: il assure une perfusion continue, essentielle à la viabilité cellulaire et au maintien de connexions étroites.

lRéduire le risque de contamination: recirculation en boucle ferméegrandLe risque de contamination est minimisé, un défi commun dans les systèmes de perfusion ouverts.

3 Domaines d'application

3.1 modélisation des maladies du système nerveux

lTumeurs du cerveau: barrière hémato - encéphalique (Le modèle bbb) a été utilisé pour étudier l'interaction des cellules d'initiation de l'angiome (un facteur clé de l'invasion des tumeurs cérébrales) dans leur environnement. De plus, l'utilisation d'un système de barrière hémato - encéphalique in vitro permet de mieux comprendre les mécanismes de métastases des tumeurs cérébrales. En intégrant des sphères de glioblastome d'origine patiente dans un système microfluidique, ces modèles fournissent une plate - forme efficace pour le dépistage de médicaments ayant une forte capacité de destruction des tumeurs.

lTroubles neurologiques: la réponse inflammatoire dans les lésions neurologiques est causée par l'agrégation et la migration des cellules immunitaires, y compris les neutrophiles, les glies et les astrocytes. Dans les modèles de maladies neurologiques (comme la maladie d'Alzheimer), la neuroinflammation est provoquée par l'activation de la microglie et des astrocytes. Les cellules immunitaires activées libèrent des Cytokines inflammatoires, y compris des facteurs de nécrose tumorale (TNF) - alpha et Interleukine (il) - 1. Au cours de cette réaction, les Cytokines et les cellules immunitaires perturbent la barrière hémato - encéphalique (bbb), ce qui entraîne souvent une infiltration du sang dans le cerveau, ce qui entraîne des dommages irréversibles au tissu cérébral.

3.2 recherche neurobiologique

Contrôle du microenvironnement autour des cellules neuronales, y compris les cellules intercellulaires et la matrice cellulaire et extracellulaire, au sein d'une plate - forme microfluidique (L'interaction entre ECM), capable de créer un microenvironnement similaire in vivo pour la différenciation des cellules souches neurales en composants du système nerveux.

En combinant la technologie microfluidique avec la neurobiologie, certains défis techniques dans ce domaine peuvent être résolus, par exemple la culture du système nerveux central (CNS), les neurones, la séparation des axones, la structuration des neurones en culture, le guidage de la croissance des neurones pour simuler les lésions axonales, et l'étude de processus tels que la synthèse locale des protéines au sein des axones, la régénération des axones et le transport des axones.

3.3 développement de médicaments in vitro

Le système de barrière hémato - encéphalique sur puce fournit une plate - forme pour évaluer la perméabilité des médicaments à travers la barrière hémato - encéphalique dans des conditions dynamiques et physiologiquement pertinentes, en résolvant les limites des modèles in vitro traditionnels. Ils sont capables d'évaluer les nanoparticules porteuses de médicaments, y compris la transcytose médiée par les récepteurs et l'optimisation des nanovecteurs pour une livraison ciblée dans le système nerveux central. En répliquant la complexité cellulaire de la barrière hémato - encéphalique, ces modèles aident à tester les neuroprotecteurs et les anticorps dans des conditions spécifiques à la maladie. Les capteurs intégrés permettent une compréhension approfondie de la toxicité des médicaments, de l'activité neuronale et du comportement synaptique. Utilisant des cellules dérivées du patient, elles soutiennent le dépistage personnalisé et la recherche sur des maladies spécifiques^[4]- Oui.

3.4 Étude de l'axe du cerveau sur puce

Les puces Multi - organes fournissent une plate - forme pour étudier les interactions entre le cerveau et d'autres organes dans le contexte de la maladie et du développement de médicaments. Ils sont capables d'étudier des conditions complexes telles que les métastases cérébrales dans le cancer du poumon, où les processus dynamiques peuvent être reproduits et étudiés en détail. Ces puces aident également à révéler le microbiote - voies de communication dans l'axe intestin - cerveau, clarifiant comment la santé intestinale affecte les maladies du système nerveux. En simulant des systèmes d'organes interconnectés, tels que l'axe foie - cerveau dans l'encéphalopathie hépatique ou l'immunomodulation par l'axe cerveau - rate, les puces Multi - organes offrent une approche intégrée pour comprendre la maladie systémique. Leur capacité à simuler des environnements physiologiques dynamiques a facilité la recherche pionnière dans la communication inter - organes et le développement de traitements.

Références

1. X. Chen ; C. Liu ; L. Muok ; C. Zeng et Y. Li, Conception, développement et applications de modèles BBB 3D dynamiques sur puce dans les maladies neurologiques, les cellules, 2021

2. M. Zakharova ; M. A. Palma do Carmo ; M. W. van der Helm ; H. Le-La ; M. N. S. de Graaf ; V. Orlova ; A. van den Berg ; A. D. van der Meer ; K. Broersen et L. I. Segerink, Organe-sur-puce de la barrière hématocérébrale multiplexe, Laboratoire sur une puce, 2020.

3. S. P. Deosarkar ; B. Prabhakarpandian ; B. Wang ; J. B. Sheffield ; B. Krynska et M. F. Kiani, Une nouvelle barrière sanguin-cérébral néonatale dynamique sur une puce, PlosOne, 2015

4. J.A. Kim ; H.N. Kim ; S-K. Je suis ; S. Chung ; J.Y. Kang et N.Choi, modèle de microvasculature cérébrale à base de collagène in vitro utilisant un modèle imprimé tridimensionnel, Biomicrofluidics, 2015

5. X. Wang ; Y. Hou ; X. Ai ; J. Sun ; B. Xu; X. Meng ; Y. Zhang et S. Zhang, Applications potentielles de la barrière hématocérébrale (BBB) à base de microfluides sur puces pour le développement de médicaments in vitro, Biomédecine et pharmacothérapie, 2020