マイクロフロー制御血液脳バリアチップの概要

血液脳障壁（BBB）は選択的障壁であり、脳と中枢神経系（CNS）を保護し、安定した内環境を維持する。それは内皮細胞、周細胞、神経膠細胞と細胞外基質から構成され、障壁の完全性を確保する。血液脳障壁機能障害はアルツハイマー病やパーキンソン病などの病気と関連しており、中枢神経系に有害物質を侵入させる。現在の血液脳障壁モデルは標的療法の開発、潜在的な神経毒性外来物質の識別を通じて、これらの疾患をよりよく研究することができ、これは神経科学と薬理学分野が重要な一歩を踏み出したことを代表している^[1-2]。

血液脳障壁（Transwell小室実験や動物モデルなどのBBB）の方法には、過度な簡略化、生理的相関性の差、種属の違いなどの限界がある。

マイクロフロー制御血液脳障壁モデル（μBBB）これらの問題は工学系による体内血脳障壁機能のシミュレーションにより解決される。これらのモデルは環境を正確に制御し、細胞の共培養を支援し、せん断応力を加え、ヒト脳環境条件を複製することができる。マイクロフロー制御血液脳障壁装置は高解像度イメージング、細胞内モニタリングと細胞外反応分析を行うことができ、中枢神経系疾患の研究、治療スクリーニングと神経毒性試験の理想的なツールになる。血液脳障壁の研究を推進するために大きな潜在力を提供しています^[2]。

理想的な体外血脳障壁（BBB）モデルは体内の血脳障壁の重要な特徴を複製しなければならない。以下を含む：

l内皮細胞（ECs）3 D血管様構造の形成

l細胞間相互作用

l内皮細胞に対する流体流のせん断応力

l薄い多孔質の下地膜（BM）

体外で血液脳障壁を模擬するある挑戦的な側面の1つは、細胞分化、体内平衡、組織維持、構造支援などの過程で重要な役割を果たす天然基底膜を正確に複製することである。理想的には、人工基底膜は生体適合性材料を用いて製造され、厚さは約 100ナノメートル。

1マイクロフロー制御装置設計

1.1サンドイッチ設計の積層設計

このマイクロフロー制御血液脳障壁設計の特徴は、上下2層のポリジメチルシロキサン（PDMS）チャネルであり、中間は多孔質膜で区切られている。典型的には、Transwellシステムと同様に、開口範囲が0.2〜3ミクロンのポリカーボネートフィルムが使用される。内皮細胞は通常上層チャネルに接種されるが、周細胞、星状膠細胞または他の脳細胞は下層チャネルで培養される。

ポリテトラフルオロエチレンなどの他の透明膜は、高分解能イメージングを実現し、生体分子輸送と細胞成長をリアルタイムで監視することができる。さらに、細胞播種配置を逆にして、すなわち下層チャンネルの3次元血管様構造中で内皮細胞を培養する（ECs），同時に上層通路に周細胞と星状膠細胞を接種し、細胞間相互作用の観察を強化することができる。

図1 チップ上の血液脳障壁サンドイッチの設計図。（A）チップの分解図、上部と底部を含み、

それぞれ8つのチャネルを含み、多孔質 PDMS膜は分離されている。（B）二層設備設計の概略図、

特徴は2つの同じものです PDMS部品は、一方が逆さまに配置され、他方と接着されている。（C）2層デバイスにおける8つの異なる条件の生成を示す^[2]

1.2平行設計

2つの水平に並んだチャネルは、 従来のポリカーボネート膜の代わりにPDMSベースのマイクロカラム「膜」（3ミクロンギャップ）を用いたPDMSマイクロチャネルアレイの分離^[3]。この設計は星状膠細胞または脳腫瘍細胞と共培養することができ、追加の化学修飾を必要としないことにより組立プロセスを簡略化する。平面配置は細胞間相互作用とイメージング効果を改善した。

この装置の特徴は組織隔室があり、両側に流体進入口を持つ2つの血管通路があり、顕微鏡スライドに組み立てられ、通路に進入するためのプラスチック管が配置されていることである。

図2 チップ上の血液脳障壁の画像。A.設備センターの組織区画を模式図で示し、

周囲には2つの独立した血管通路が囲まれており、流体が開口部に入る。B.この設計における細胞培養の概略図。

C.装置は顕微鏡スライドに組み立てられ、プラスチック管（紺色）を備え、各血管通路と組織隔室に入ることができる^[3]。

1.3三次元管状構造設計

伝統PDMSμBBBモデルは矩形マイクロチャネルを採用し、流動不均一、せん断力不均一を招き、内皮細胞の挙動に影響を与える。この問題を改善するために、いくつかのモデルは、3 Dコラーゲンに基づく微小血管管（直径75〜150μm）のような円筒形マイクロチャネルを用いて、流体流速によって管径を正確に制御し、μBBBデバイスに統合する。

図3 脳微小血管系図^[4]

2血液脳バリアチップ実験装置

チップ上に集積された血液脳障壁実験装置：

1. OB 1流量制御器

2. マニホールド

3. MUX再循環弁

4. MUX分配弁

5. MUXワイヤ

6. 三方 /二方弁

7. マイクロフロー制御流量センサ

8. 継ぎ手、パイプ、およびルアー継ぎ手

9. ちょすいタンク

10. 血液脳バリアチップモデル用マイクロフロー制御チップ

11. マイクロフロー制御ソフトウェア

2.1 Elveflowデバイスのメリット

1.OB 1圧力制御器

l正確な流体流量制御：OB 1は圧電調整器を採用し、急速に安定した圧力調整を実現することができる。この正確性は、マイクロフロー制御環境が生理的条件を緊密にシミュレーションできることを保証し、これは血液脳障壁の動的特性を正確に複製するために重要である。

lどうてきちゅうにゅうりょく：チップ上の血液脳障壁装置において、適切なせん断応力を維持することは内皮細胞機能にとって重要である。OB 1は流体の流れを制御し、動的灌流を実現し、体内血流条件をシミュレーションし、それによってモデルの生理的相関性を強化することができる。

2. MUX分配弁

lじどうちくじしゃしゅつ：バルブは、様々な試薬、薬物または培地をプログラム通りに血液脳バリアチップに輸送することを可能にする。この自動化は体内条件を緊密に模擬する動的灌流実験を行う上で極めて重要であり、モデルの生理的相関性を強化した。

3. MUX再循環弁

l模擬生理流動条件：MUX再循環装置は、血液脳障壁中の内皮細胞が経験するせん断応力と流体力学を複製するために重要な流体の正確でプログラム可能な再循環を可能にする。

l制御された再循環による現実的な血流パターンの確保：これは内皮細胞の形態と機能を維持するために重要である。

l薬物試験と毒性スクリーニング：制御可能な方法で薬物またはナノ粒子を導入し、それを再循環させて、それらの経時的な血液脳障壁との相互作用を研究する。

lどうてききょうようシステム：それは持続的な灌流を確保し、これは細胞の活力と緊密な接続を維持するために重要である。

l汚染リスクの低減：閉ループ再循環大汚染リスクを最小限に抑えることは、開放灌流システムによく見られる課題である。

3応用分野

3.1神経系疾患のモデル化

l脳腫瘍：血液脳障壁（BBB）モデルは、その環境における血管膠腫開始細胞（脳腫瘍侵襲の重要因子）の相互作用を研究するために使用される。また、体外血脳バリアシステムを使用することで、脳腫瘍転移のメカニズムをより明確に理解することができる。患者由来の膠質母細胞腫球をマイクロフロー制御システムに統合することにより、これらのモデルは強力な腫瘍殺傷能力を有する薬物をスクリーニングするための効率的なプラットフォームを提供する。

l神経機能障害疾患：神経疾患病変における炎症反応は、免疫細胞（好中球、神経膠細胞、星状膠細胞を含む）の凝集と移動によって引き起こされる。アルツハイマー病などの神経系疾患モデルでは、神経炎症は小さな膠細胞と星型膠細胞の活性化によって駆動される。活性化免疫細胞は腫瘍壊死因子（TNF）−α及びインターロイキン（IL）−1。この反応の過程で、サイトカインと免疫細胞は血脳障壁（BBB）を破壊し、しばしば血液が脳に浸透し、さらに不可逆的な脳組織損傷を引き起こす。

3.2神経生物学的研究

細胞間および細胞と細胞外マトリックス（ECM）間の相互作用は、神経幹細胞が神経系の構成部分に分化するために体内のような微小環境を作り出すことができる。

マイクロフロー制御技術と神経生物学を結合することにより、中枢神経系（CNS）ニューロン、分離軸索、培養したニューロンをパターン化し、軸索損傷を模擬するための神経突起成長を誘導し、軸索内の局所蛋白質合成、軸索再生と軸索輸送などの過程を研究する。

3.3体外薬物開発

チップ上血液脳障壁システムは、動的および生理的関連条件下で血液脳障壁を通過する薬物の浸透性を評価するためのプラットフォームを提供し、伝統的な体外モデルの限界を解決した。これらは、受容体媒介トランスポゾン作用及び中枢神経系の標的送達のためのナノ担体最適化を含む薬物担持ナノ粒子を評価することができる。血液脳障壁の細胞複雑性を複製することにより、これらのモデルは疾患の特定の条件下で神経保護剤と抗体を試験するのに役立つ。統合センサーは薬物毒性、ニューロン活動、シナプス行為を深く理解することができる。患者由来の細胞を使用して、個別の薬物スクリーニングと特定の疾患に対する研究を支援する^[4]。

3.4チップ上の脳軸研究

多臓器チップは、病気や薬物開発を背景にした脳と他の臓器との相互作用を研究するためのプラットフォームを提供している。肺癌の脳転移などの複雑な病気を研究することができ、その中で動的過程を複製し、詳細に研究することができる。これらのチップは微生物群を明らかにするのにも役立ちます −腸管−脳軸における通信経路。腸管の健康が神経系疾患にどのように影響するかを明らかにする。肝性脳症における肝−脳軸、または脳−脾軸による免疫調節などの相互接続器官系をシミュレートすることにより、多器官チップは全身性疾患を理解するための総合的な方法を提供する。動的生理環境をシミュレートする能力は、器官間通信と治療開発における創始的な研究を促進する。

参考文献

1. X. チェン;C. リュー;L. Muok;C. ZengとY. Li,神経疾患,細胞におけるダイナミック3DオンチップBBBモデルの設計,開発,および応用,2021

2. M. ザハロヴァ;M. A. パルマ・ド・カルモM. W. ヴァン・デル・ヘルムH.レ・ザ;M. N. S. デ・グラフV. オルロヴァ;A. ヴァン・デン・ベルグA.D. van der Meer（ヴァン・デル・メア）K. BroersenとL. I. Segerink、Multiplexed blood-brain barrier organ-on-chip、Lab on a Chip、2020。

3. S. P. デオサルカー ;B. プラバカルパンディアンB. 王;J.B.シェフィールドB. KrynskaとM. F. Kiani, A Novel Dynamic Neonatal Blood-Brain Barrier on a Chip, PlosOne, 2015

4. J.A.キム ;H.N.キム ;S-K. イム;S. チョン;J.Y. KangとN.Choi, コラゲンベースの脳微血管モデル in vitro using three-dimensional printed template, Biomicrofluidics, 2015

5. X. 王;Yホウ;X. アイ;J. サン;B. シュ;X. メン;Y. ZhangとS. Zhang, in vitro薬物開発のための微流体ベースの血脳バリア（BBB）オンチップの潜在的な応用, バイオメディシン＆薬療法, 2020