谨慎的守门员站在大脑及其循环系统之间，以让其进入并阻止坏处，但是这种被称为血脑屏障的搬运工也阻止了治疗阿尔茨海默氏病或​​癌症等疾病的试验药物进入大脑。

现在，由佐治亚理工学院的研究人员领导的团队设计出了一种更紧密地研究障碍的方法，目的是帮助药物开发商做到这一点。在一项新的研究中，研究人员在芯片上培养了人血脑屏障，比以前的芯片更真实地重建了其生理机能。

新的芯片为屏障的中心成分，即称为星形胶质细胞的脑细胞，设计了一个健康的环境，它不是神经元，而是神经元与循环系统的代祷者。人脑中的星形胶质细胞与称为内皮细胞的脉管系统中的细胞相互作用，共同作为血脑屏障。

但是，星形胶质细胞特别挑剔，这使其成为网守系统的重要组成部分，但也难以以生理上准确的方式进行培养。新芯片通过以3-D而非平面或2-D的方式培养来满足星形胶质细胞的敏感性。

3-D空间使星形胶质细胞更自然地起作用，并且通过使培养的内皮细胞更好地发挥功能，从而改善了整个屏障模型。新芯片为研究人员提供了比以前的屏障模型更健康的血脑屏障功能。

星形胶质细胞中的“ Astro”

“您需要能够以健康状态和体内稳态紧密模拟芯片上的组织。如果我们无法建立健康状态的模型，我们也无法真正建立疾病的模型，因为我们无法精确地控制它的测量反对，”佐治亚理工学院乔治·伍德拉夫机械工程学院副教授，该研究的主要研究者YongTae Kim说。

在新芯片中，星形胶质细胞甚至在3-D空间中看起来更加自然，呈星形的星形形状，从而赋予了它们“ astro”的名称。相反，在二维培养中，星形胶质细胞看起来像带有条纹的煎蛋。通过这种3-D设置，该芯片为人类血脑屏障的可靠研究增加了可能性，而目前的替代方法很少。

人星形胶质细胞(白色)与脉管系统中的内皮细胞连接的插图。在右边，aquaporin-4表示用于交换水以及一些营养和废物。图片来源：佐治亚理工大学/金实验室/延世大学医学院

金说：“没有任何一种动物模型能够与人类血脑屏障的复杂功能相提并论。我们需要更好的人类模型，因为成功进入动物脑部的实验药物未能达到人类屏障的水平。”

该小组于2020年1月10日在《自然通讯》杂志上发表了其研究结果。该研究由美国国立卫生研究院资助。Kim成立了一家公司，计划在将来大规模生产这种新芯片，以用于学术研究和潜在的药物研究。

选择性，专横性星形胶质细胞

大脑是配备星形胶质细胞的唯一身体部分，星形胶质细胞以自己独特的方式调节营养的摄取和废物的清除。

“根据大脑的要求，星形胶质细胞与脉管系统实时协作，满足大脑的需求，并打开大门，仅吸收少量的水和养分。星形胶质细胞去获取大脑所需的一切，不让其他东西进入进来，”金说。

星形胶质细胞在其膜上形成称为水通道蛋白4的蛋白结构，该蛋白结构与脉管系统接触以进出水分子，这也有助于清除大脑的废物。

“在以前的芯片中，未观察到aquaporin-4表达。该芯片是第一个，” Kim说。“这在研究阿尔茨海默氏病中可能很重要，因为水通道蛋白4对清除脑中分解的垃圾蛋白很重要。”

该研究的合著者之一，埃默里大学(Emory University)的艾伦·莱维(Allan Levey)博士是神经医学领域的知名研究人员，他对该芯片在解决老年痴呆症方面的潜力感兴趣。另一位也是Emory的Tobey McDonald博士研究了小儿脑癌，并对这种芯片在研究潜在脑癌治疗方法中的可能性感兴趣。

芯片上的血脑屏障与芯片上的许多器官一样小，但它为星形胶质细胞提供了许多在3D模式下展开的空间。图片提供：佐治亚理工学院/ YongTae Kim实验室

健康的屏障

星形胶质细胞还通过表达较少的由病理学触发的基因，从而表明它们在芯片的3D培养中比2D培养更健康。

Kim说：“二维培养的星形胶质细胞表达的LCN2水平明显高于3-D表达的水平。当我们在3-D中培养时，其含量只有四分之一左右。”

更健康的状态还使星形胶质细胞能够更好地显示免疫反应。

“当我们有意识地在3D培养中对星形胶质细胞进行病理性应激处理时，我们得到了更清晰的反应。在2D模式中，基态的健康状况已经较差，因此对病理性应激的反应并不清楚。这种差异可能会使3D文化对于病理学研究非常有趣。”

纳米颗粒输送

在与药物输送有关的测试中，纳米粒子在与内皮细胞受体结合后穿过血脑屏障，从而使这些细胞吞噬粒子，然后在自然环境中将其转运至人脑内部。这是内皮细胞与3-D培养的星形胶质细胞连接时如何更好地工作的一部分。

“当我们抑制受体时，大多数纳米粒子都不会进入。由于动物和人类之间的种间误差，这种测试不适用于动物模型。” “这是这个新的芯片是如何让你学习的人血-一个例子大脑潜在的药物传递障碍的方式，你不能在动物模型中。”