芯片化脑模型技术揭示败血症与神经退行性疾病如何损伤大脑
罗切斯特大学研究人员正采用搭载人体组织的尖端微芯片替代动物实验，以深入探究健康状态下大脑的运作机制，以及神经退行性疾病或败血症等病症如何损伤大脑。
生物医学工程教授詹姆斯·麦克格拉思领导的团队致力于开发和应用组织芯片，研究不同组织交界处的疾病机制，包括血脑屏障区域。近期发表在《先进科学》和《材料今日生物》的两项研究利用这些芯片，揭示了血脑屏障在严重威胁下崩溃的具体过程，这可能催生保护大脑健康的新疗法。
炎症如何损伤大脑
当患者接受重大手术或感染败血症等疾病时，全身器官（包括大脑）可能产生过度炎症反应，有时会导致持久性认知功能障碍，尤其在老年患者中更为明显。
在《先进科学》发表的研究中，麦克格拉思团队利用组织芯片展示了细胞因子风暴（免疫系统引发的失控性全身炎症反应）对血脑屏障的影响。实验表明，当细胞因子风暴达到足够强度时，血脑屏障会崩溃并导致脑损伤。
"两种不同的应激信号——如纤维蛋白原等渗入大脑的血液蛋白与炎症性细胞因子——会协同作用，触发星形胶质细胞（大脑支持细胞）的有害变化。"生物医学工程博士生、该研究首席作者凯华·陈解释道。
"同时我们发现，血流的自然作用力有助于血脑屏障抵御这些挑战。这表明生物学与工程学原理的结合能让我们深入了解大脑的自我保护机制及疾病中的异常过程。"
麦克格拉思表示，未来团队计划在芯片的脑侧集成更多脑组织组件，包括关键免疫细胞——小胶质细胞，以更全面理解炎症事件中神经元的损伤机制。最终目标是利用这些芯片预防经历细胞因子风暴患者的脑损伤。
"我们希望构建芯片格式的组织模型后，能将大量脑模型排列成高密度阵列，用于筛选神经保护药物候选物，并开发具有不同遗传背景的脑模型——包括可能对细胞因子风暴敏感或耐受的模型。"麦克格拉思说。
研究团队还设想将该模型应用于个性化医疗，为个体患者量身定制治疗方案。
"若患者即将接受可能引发细胞因子风暴的化疗或重大手术，可利用模拟其特定脑组织的芯片评估风险，并指导药物选择和剂量，从而预防脑损伤。"麦克格拉思补充道。
脑健康的关键缺失环节
发表在《材料今日生物》的第二项研究聚焦周细胞——这些支持细胞在维持血脑屏障中扮演重要但尚未完全明确的角色。先前研究显示，在全身性炎症和神经退行性疾病病例中，周细胞数量远少于健康大脑，但原因尚不明确。
麦克格拉思团队在内皮组织（形成血管的细胞群）中制造孔洞和缺陷，并引入周细胞观察反应。
"当面对这些大孔洞时，内皮细胞难以形成正常屏障。"麦克格拉思指出，"当我们将周细胞添加到膜上，它们会构建精美的结构纤维网络填补孔洞，使内皮细胞能够执行关键的屏障功能。"
证实周细胞与内皮细胞的相互作用，为开发通过保护或增加周细胞数量来维持血脑屏障稳定性的疗法打开了大门。
"通过在内皮细胞层制造缺陷，我们让细胞更直接地相互作用，使周细胞能提供体内相同的支撑作用。"生物医学工程博士生、该研究首席作者米歇尔·特伦佩尔表示，"这很重要，因为周细胞缺失与多种神经退行性疾病相关，拥有周细胞提供支撑的模型，将使我们能够研究未来周细胞缺失的影响。"
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