血脑屏障

血脑屏障 (BBB) 是哺乳动物的一种特殊结构，通过调节血液和血液之间离子、氧气和营养物质的流入和流出，将大脑与血液分开，并维持中枢神经系统 (CNS) 的稳态。该屏障主要由脑微血管内皮细胞 (BMEC)、星形胶质细胞和周细胞组成。转化生长因子β1 (TGFβ1) 是转化生长因子β (TGFβ) 家族成员之一，是一种多效性细胞因子，在多种病理和生理过程中发挥重要作用。Hedgehog信号通路是重要的信号传导通路，在多个物种中是保守的，并且在生理和病理过程的许多方面发挥着重要作用。典型Hedgehog信号由三种分泌配体Shh、Ihh和Dhh激活，细胞间信号由转录因子Gli1、Gli2和Gli3转导。在中枢神经系统中，Hedgehog信号通路决定了神经管的形成和发育。目前，已有研究表明Hedgehog信号与TGFβ1级联反应在癌症发展和转移中的相互作用。那么Hedgehog信号和TGFβ1级联反应之间的串扰是否会影响血脑屏障的功能呢，目前还尚不清晰。华中农业大学兽医学院农业微生物学国家重点实验室和湖北省预防兽医学重点实验室联合在Brain Sciences杂志上发表了一篇名为《Astrocyte-Derived TGFβ1 Facilitates Blood–Brain Barrier Function via Non-Canonical Hedgehog Signaling in Brain Microvascular Endothelial Cells》，该文阐明了TGFβ1 介导的星形胶质细胞和大脑内皮细胞之间的细胞间交流，这一发现将拓宽关于血脑屏障内稳态的现有知识，也可能有助于进一步改善血脑屏障功能障碍的治疗策略。作者通过构建人脑微血管内皮细胞 (hBMECs) 与U251的单培养和共培养模型，证实了星形胶质细胞衍生的TGFβ1增强了BMECs的屏障功能。实时荧光定量PCR、免疫印迹和酶联免疫吸附试验等多种实验表明TGFβ1在BMECs中触发Smad2/3的激活增加了Gli2的表达，Gli2是Hedgehog信号转导的关键转录因子。Gli2与ZO-1启动子结合，增强ZO-1的表达，从而维持血脑屏障。星形胶质细胞来源的TGFβ1触发BMECs中的TGFβ1-TGFBRII-Smad2/3-Gli1/2-ZO-1轴并维持正常的BBB功能。文中作者通过免疫荧光技术，利用Echo Revolve正倒置一体显微镜进行免疫荧光观察。使用50ng/mL的重组TGFβ1 (rTGFβ1) 来刺激单层hBMECs，BMECs用绿色CD31标记，结果表明与对照组相比，ZO-1表达显著增加。用4mg/kg的TGFβ/Smads信号抑制剂SD208处理小鼠，图中虚线环表示BMECs中的Gli1或Gli2的表达量，结果表明与对照组相比，ZO-1、 Gli1和Gli2表达量均减少。内皮屏障功能方面发挥重要作用，提高了对血脑屏障功能的研究。这一发现也可能表明未来有可能使用TGFβ1和Hedgehog信号级联来辅助治疗血脑屏障功能障碍。参考文献：Fu J, Li L, Huo D, et al. Astrocyte-Derived TGFβ1 Facilitates Blood-Brain Barrier Function via Non-Canonical Hedgehog Signaling in Brain Microvascular Endothelial Cells. Brain Sci. 2021 11(1):77. Published 2021 Jan 8. doi:10.3390/brainsci11010077

（一）文献解析英国利兹大学医学和健康学院，利兹心血管和代谢医学研究所开发了一种新的动态多细胞共培养系统，用于研究脑疾病中的个体血脑屏障细胞类型和细胞毒性测试。作者详细讨论了血脑屏障（BBB）多细胞共培养系统的开发和优化过程，以及其在研究BBB功能障碍和神经退行性疾病中的潜在应用。1. 研究背景：血脑屏障（BBB）在中枢神经系统（CNS）的生理和病理过程中扮演关键角色。BBB功能障碍与许多神经退行性疾病，包括阿尔茨海默病（AD），有关联。1. BBB的组成：BBB由毛细血管内皮细胞、包围内皮的周细胞以及向其延伸的星形胶质细胞组成。1. 研究目的：开发一种体外多细胞共培养模型，用于研究BBB中各个细胞类型在神经毒性中的具体作用，特别是在没有形成屏障的情况下评估每种细胞类型对整体反应的贡献。1. 实验仪器设备：研究者使用了英国Kirkstall Quasi Vivo培养系统，并成功开发了一种体外多细胞共培养模型，该系统允许在流动条件下培养不同类型的细胞，同时共享相同的培养基。1. 实验设计：研究者优化了人类大脑内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞的培养条件，包括改进的培养基、适当的支架系统和最佳流速。1. 细胞表型鉴定：通过免疫细胞化学方法确认了人类星形胶质细胞、周细胞和内皮细胞的表型。1. 多细胞共培养系统：研究者建立了一个多细胞共培养系统，通过不同组合的细胞培养来确定共培养的重要性以及改进的培养基和流动对细胞活性的影响。1. Aβ25-35的影响：作为概念验证，研究者探索了Aβ25-35（AD的一个标志物）对BBB各个细胞类型的影响。1. 实验结果：发现Aβ25-35对周细胞有负面影响，降低了其活性，而对内皮细胞和星形胶质细胞在早期毒性阶段没有显著影响。1. 结论：这种多细胞共培养系统可以成为未来研究CNS疾病中特定BBB细胞类型角色以及细胞毒性测试的有价值的工具。（二）成功开展多细胞共培养实验的心得1. 选择合适的细胞类型：基于研究目的，选择具有高度特异性和代表性的细胞类型。1. 优化培养基：开发或选择适合所有共培养细胞类型的培养基，可能需要结合不同细胞类型的条件培养基。1. 控制培养条件：使用恒温培养箱和CO2控制系统来维持最佳的生长环境。1. 优化接种技术：使用适当的技术（如滴涂或悬浮接种）来确保细胞均匀分布。1. 定期更换培养基：定期更换新鲜培养基，以提供必要的营养并去除代谢废物。1. 使用支架材料：选择合适的支架材料来支持细胞附着和生长。1. 动态培养系统：使用如英国Kirkstall Quasi Vivo System这样的动态培养系统来模拟体内流动条件。1. 监测细胞间通讯：使用分子标记和示踪技术来评估细胞间的相互作用和信号传递。1. 标准化实验操作：确保所有实验步骤的一致性，包括细胞培养、操作和数据处理。1. 使用先进的成像和分析技术：利用共聚焦显微镜、流式细胞仪等技术来收集数据，并使用专业的软件进行分析。通过上述解决方案，研究者可以克服多细胞共培养实验中的技术挑战，从而更有效地模拟和研究复杂的生物学过程。参考文献：Patricia Miranda-Azpiazu, Stavros Panagiotou, Gin Jose & Sikha Saha. A novel dynamic multicellular co-culture system for studying individual blood-brain barrier cell types in brain diseases and cytotoxicity testing附： Kirkstall Quasi Vivo® 仿生动态多细胞共培养系统——产品介绍01仪器设备的功能用途 又称为微流体“芯片上器官”系统，具有相互连接的细胞培养单元，为类器官生长提供更具生理相关性的体内微环境。通过提供一种近生理的体外模型，模拟细胞微环境，具有更完整的结构和功能，解决动物与人类之间的种属差异，且可在体外模拟多种器官特异性疾病状态，反映药物在体内的动态变化规律和人体器官对药物刺激的真实响应，捕捉复杂的生理学反应，并满足高通量的要求。它是一个多室流动系统，为类器官培养提供了一个紧凑、易于使用的解决方案，包括2D、3D、屏障，或多器官。在疾病模型，药物筛选和毒性测试，再生医学和组织工程，发育生物学研究，感染与免疫研究，个性化医学，癌症研究等领域被广泛应用。兼容多种细胞来源，包括原代细胞、诱导多能干细胞（iPSC）、类器官和细胞系等，也可以引入健康细胞、患病细胞、肿瘤细胞。02性能特点Quasi Vivo® 作为一种先进的类器官芯片培养系统，专门设计用于解决学术和工业研究人员在开展体外和体内研究时遇到的主要问题，具有下列性能优势：1.功能延展性强可选择气液界面、液液界面、支架和流动方案的多样化培养方式；允许独立、可控的空气、气体或液体层流流向顶端和基底外侧；满足多器官/多细胞共培养，细胞间的信号传递等实验要求。加速类器官细胞分化和成熟，提高细胞活力，适合长期培养。2.成像友好配备了光学窗口在顶部或底部表面，便于理想的实时高分辨率成像。3.易于获取样本直接收集样本和获取组织或液体样本。4.模拟生物力学和浓度梯度 严格控制多个变量，可以模拟生理特征，如血液循环，组织间液流动态等，为细胞提供生物力学信号；可以实现免疫细胞共培养以及血管化等复杂疾病模型构建；用于研究多种生理过程，如细胞迁移、分化、免疫反应以及癌症的转移等。5.便携和易于操作紧凑型模块化腔室结构，具有更高人体生理相关性；占地面积小，节省空间，可兼容标准实验室的孵化器。03品牌制造商简介Kirkstall Ltd.成立于2006年，是Braveheart Investment Group plc 的子公司，总部位于英国约克。Kirkstall开发了一种创新的微生理系统的器官芯片模型Quasi Vivo® 。作为器官芯片技术的领导者，Kirkstall已经建立了牛津大学生物医学工程研究所等著名的大学实验室的庞大用户群，产品在全球范围内享有盛誉。北京基尔比生物科技有限公司是Kirkstall ltd.授权在中国的唯一和独家总代理商，全面负责Kirkstall公司旗下所有产品在中国的销售，市场推广和技术支持等事宜。

p style=" text-align: justify " 　　在世界范围内，中枢神经系统(CNS)相关疾病已经成为各年龄段患者中致病率和致死率最高的一类疾病。尽管多年来对于中枢神经相关疾病的科学和临床研究一直未有停歇，然而针对这类疾病的治疗方法仍然极其有限。其中需要面临的最大挑战是如何有效地跨越血脑屏障，将药物，尤其是大分子药物，投递入中枢神经系统。因此，开发新型、普适性强、并能跨越血脑屏障的药物投递平台，将是治疗中枢神经相关疾病的关键突破。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/cbf11921-e8dd-4743-b80d-14448d8bfee6.jpg" title=" 卢云峰教授.jpg" alt=" 卢云峰教授.jpg" width=" 167" height=" 254" style=" width: 167px height: 254px " / /p p style=" text-align: center " strong 卢云峰教授 /strong /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/4a21eeb8-c37c-43aa-b45a-b90a114537e4.jpg" title=" 000.jpg" alt=" 000.jpg" width=" 561" height=" 374" style=" width: 561px height: 374px " / /p p style=" text-align: center " strong span style=" text-align: justify " UCLA卢云峰教授团队 /span /strong br/ /p p style=" text-align: justify " 　　近日， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)卢云峰教授团队 /strong /span 在材料学领域的综合性权威期刊 strong i Advanced Materials /i /strong (2018年， strong IF：21.950 /strong )上发表封面文章(图1)，题目为 strong “ i A Bioinspired Platform for Effective Delivery of Protein Therapeutics to the Central Nervous System /i ” /strong ，报道了新型中枢神经系统投递平台，通过将蛋白类药物包裹在含有胆碱和乙酰胆碱类似物的纳米胶囊中，实现高效的中枢神经系统投递。该研究论文的第一作者为吴迪博士。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/5c4eaa11-bf0d-419f-9b4e-b9dd0efe3ab8.jpg" title=" 001.jpg" alt=" 001.jpg" width=" 584" height=" 211" style=" width: 584px height: 211px " / /p p style=" text-align: center " strong 图1：研究成果发表于材料领域权威期刊Advanced Materials. /strong /p p style=" text-align: justify " 　　尽管血脑屏障对进入中枢神经系统的分子具有极其苛刻的选择性和限制性，但为满足大脑内部的营养及信号转导需求，其对某些分子如乙酰胆碱和胆碱却有大量的受体表达和高效的转运机制。受其启发，研究者利用纳米胶囊技术将含有胆碱和乙酰胆碱的类似物(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC))包裹于蛋白类药物表面，在胆碱转运体及乙酰胆碱受体的介导下，使蛋白类药物得以高效的穿透血脑屏障，进入中枢神经系统(图2)。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/0eee24b0-a41e-41f4-a71f-b7164ab6edea.jpg" title=" 002.jpg" alt=" 002.jpg" width=" 548" height=" 383" style=" width: 548px height: 383px " / /p p style=" text-align: center " strong 图2：纳米胶囊的制备及中枢神经系统投递原理示意图 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　为显示该方法的普适性，研究者利用纳米胶囊运载了多类蛋白分子，如牛血清蛋白(BSA)，辣根过氧化物酶(HRP)，利妥昔单抗(RTX)和神经生长因子(NGF)等。透射电子显微镜下，纳米胶囊显示为表面为中性，直径为30纳米的球形分子，利用可降解交联剂的断裂使纳米胶囊破裂从而实现蛋白载体的有效释放(图3)。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/12411180-b471-4ce0-bce4-2b0ba61fa14b.jpg" title=" 003.jpg" alt=" 003.jpg" width=" 586" height=" 306" style=" width: 586px height: 306px " / /p p style=" text-align: center " strong 图3：纳米胶囊水合半径(a)，表面电性(b)，形貌(c)，释放(d)及释放后蛋白分子活性(e，f)的测定 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　在小鼠和恒河猴动物模型中，该技术的中枢系统投递效率得到了有效的验证。纳米胶囊包裹的蛋白在小鼠的体内分布实验中，显示出高于未包裹的蛋白对照组40余倍的投递效率。同时，静脉注射一天后在采集到的恒河猴的脑脊液中，通过透射电子显微镜研究者观察到大量的具有相同大小(30 纳米)和形貌的纳米胶囊分子。其在恒河猴脑脊液中的浓度最高可达血液浓度的5.6%。研究者还发现，该纳米胶囊的中枢神经系统投递效率具有显著的剂量依赖性，提高静脉注射浓度可显著提高其中枢神经系统投递效率，这意味着该投递效率仍有巨大的提升空间(图4)。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/d44c0756-3049-403e-aea5-1dc95cb89bbb.jpg" title=" 004.jpg" alt=" 004.jpg" width=" 537" height=" 418" style=" width: 537px height: 418px " / /p p style=" text-align: center " strong 图4：纳米胶囊小鼠体内分布(a)，恒河猴脑脊液中纳米胶囊形貌(b)，浓度(c)及脑脊液浓度占血浆浓度百分比(d) /strong /p p style=" text-align: justify " 　　由于该方法制备简单，高度适用于各种蛋白药物，中枢神经系统投递效率高，并具有良好的生物安全性，这一技术为蛋白类药物用于中枢神经系统相关疾病的治疗开辟了全新的道路，具有重大的理论研究和临床转化意义。 /p p style=" text-align: justify " 　　————————————————————————————————— /p p style=" text-align: center " strong 欲知更多生命科学资讯，就关注仪器信息网生命科学官微 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " “3i生仪社” /span /strong /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/632108c3-9f34-4da1-9a2e-2a7344c75fab.jpg" title=" qrcode_for_gh_91d290758d40_258.jpg" alt=" qrcode_for_gh_91d290758d40_258.jpg" width=" 223" height=" 223" style=" width: 223px height: 223px " / /p