这一尖端工具展示了血脑屏障如何崩溃，以及健康大脑如何保持其强度
罗切斯特大学研究人员使用带有人体组织的尖端微芯片替代动物实验，以更好地了解大脑在健康状态下的运作方式，以及如何通过神经退行性疾病或败血症等状况受到损害。
生物医学工程William R. Kenan Jr.教授、屏障微生理系统转化中心（TraCe-bMPS）主任James McGrath领导着一个团队，开发并利用组织芯片来研究两种不同类型组织相遇处的疾病，包括血脑屏障处的疾病。最近发表在《Advanced Science》和《Materials Today Bio》上的两项研究使用这些芯片来确定血脑屏障在严重威胁下如何崩溃，这可能导致保护大脑健康的新治疗方法。
当炎症损害大脑时
当患者接受大型手术或感染败血症等感染时，可能导致包括大脑在内的全身器官过度炎症，有时会导致持久的认知障碍，特别是在老年患者中。
在发表于《Advanced Science》的一项研究中，McGrath的团队使用组织芯片展示了当身体遭受细胞因子风暴——即免疫系统产生无法控制的全身炎症反应时——血脑屏障会发生什么。他们的实验表明，当细胞因子风暴足够强烈时，血脑屏障会崩溃，导致脑损伤。
生物医学工程博士生、该研究的主要作者Kaihua Chen表示："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性细胞因子——可以协同作用，触发被称为星形胶质细胞的脑支持细胞发生有害变化。"同时，"我们发现血流的自然力量有助于血脑屏障在这些挑战面前保持更强。对我来说，这表明生物学和工程学原理如何结合起来，为我们提供关于大脑如何保护自身以及疾病中出了什么问题的新见解。"
McGrath表示，未来团队希望在芯片的脑侧整合更多大脑组件，包括被称为小胶质细胞的大脑关键免疫细胞，以更好地了解神经元在这些炎症事件中如何受损。最终，他希望这些芯片可用于预防经历细胞因子风暴的患者的脑损伤。
McGrath说："我们希望通过以芯片格式构建这些组织模型，可以将许多脑模型以高密度阵列排列，以筛选神经保护药物的候选者，并开发具有不同遗传背景的脑模型，包括那些可能对细胞因子风暴易感或具有抵抗力的模型。"
研究人员还设想将他们的模型用于个性化医疗，根据个别患者的需求进行定制。
McGrath说："如果患者即将接受可能产生细胞因子风暴风险的化疗或大型手术，可以使用模拟该特定患者脑组织的芯片来评估风险并指导药物选择和剂量，以帮助预防脑损伤作为结果。"
脑健康缺失的关键
发表在《Materials Today Bio》的第二项研究关注周细胞（pericytes），这些支持细胞在维持血脑屏障方面起着重要但尚未完全理解的作用。先前的研究表明，在全身炎症和神经退行性疾病的情况下，周细胞数量远少于健康大脑，但原因尚未完全了解。
McGrath的团队在内皮组织（形成血管的细胞群）中设计了孔洞和缺陷，并引入周细胞以观察会发生什么。
McGrath说："当内皮细胞处理这些大孔时，很难创建适当的屏障。当我们向膜中添加周细胞时，它们会创建一个美丽的结构纤维矩阵，填补这些孔洞，使内皮细胞能够发挥其重要的屏障功能。"
展示周细胞和内皮细胞之间的相互作用，为治疗打开了大门，这些治疗可以保护或引入更多周细胞，以帮助保持血脑屏障的稳定。
该研究的主要作者、生物医学工程博士生Michelle Trempel表示："通过在内皮细胞层中创建缺陷，我们让细胞更直接地相互作用，使周细胞能够提供它们在体内所做的部分支持。"这很重要，因为周细胞丢失与许多神经退行性疾病有关，因此拥有一个周细胞提供支持的模型，使我们能够在未来研究周细胞丢失的影响。
研究的主要合作者包括罗切斯特大学医学中心神经治疗发现中心（Center for Neurotherapeutics Discovery）主任Harris (Handy) Gelbard、杜克大学医学院麻醉学系教授Niccolò Terrando以及伯尔尼大学Theodor Kocher研究所的Britta Engelhardt。该研究得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的资金支持，以及国际伦理研究基金会（International Foundation for Ethical Research）为Kaihua Chen提供的博士前奖学金。
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