细胞身份先决定模型能回答哪些问题

爱尔兰 University of Limerick 团队在 Frontiers in Pharmacology 比较三维血脑屏障(BBB)模型。综述将细胞来源、基质、空间组织、流动和检测终点放在一起讨论,选择标准是具体研究需要的屏障特征。

人脑原代内皮细胞受组织获取和培养扩增限制;永生化人脑内皮细胞便于重复实验,但部分屏障指标较低。干细胞来源细胞可增加供给并纳入供者背景,仍需结合细胞表型和功能确认。综述也列出鼠源内皮与犬肾、结肠上皮等替代细胞,它们的来源和转运特征需要纳入结果解释。

疾病状态也影响选择。综述区分正常 BBB 与肿瘤相关血脑屏障:肿瘤内部和边缘的屏障变化可能不同,药物研究因此需要明确所模拟的区域和细胞环境。

电阻、通透和组织累积各测什么

跨内皮电阻(TEER)反映离子跨细胞层的电学阻力,计算时需要考虑培养面积;温度、电极、细胞来源及培养条件都会影响结果。蛋白表达和细胞连接成像则提供结构信息。综述把这些检测与药物运输结合,用多项指标表征屏障。

示踪物或药物通透实验需要设置给药侧与接收侧,测量物质跨越屏障的变化;分子大小、电荷及转运特征影响其适用范围。在有明确两侧边界的培养小室或通道中,可以计算通透系数;在球状体中,常见终点是荧光或质谱成像得到的进入深度与组织内累积。

这些结果分别描述离子阻力、跨屏障运输和组织累积。比较药物或模型时,检测对象、时间、几何边界和细胞组成需要匹配;电阻数值也应连同这些条件报告。

水凝胶增加细胞接触,开放管腔影响运输取样

Transwell 双室培养便于分开给药与取样,也可在膜两侧或接收室加入支持细胞。膜厚、孔径和细胞距离影响接触,静态培养还缺少流动产生的剪切作用。水凝胶可把内皮、星形胶质细胞和周细胞组织在更接近的三维环境中,但设计仍需保留可识别的运输边界。

天然基质便于细胞附着,但如 Matrigel 等材料有批次差异;聚乙二醇(PEG)等合成水凝胶便于控制组成,却需要加入黏附肽来支持细胞。材料的选择同时影响细胞行为、机械环境和重复性。

综述比较了细胞直接埋入水凝胶与内皮层铺在水凝胶表面的布局。前者可增加细胞接触,但缺少开放的血管腔侧时,跨屏障给药和接收取样更困难;后者在内皮层下放置支持细胞,有助于定义两侧关系。

流道构型改变细胞接触与取样边界

夹层式芯片以多孔膜隔开血侧和脑侧通道,便于安排流动和取样,细胞直接接触仍受膜孔限制。并行通道可用凝胶或微柱分隔,在同一平面安排内皮和支持细胞;细胞接触更直接,但屏障边界不如夹层清楚,电阻和运输计算更难。

另一类布局先在水凝胶中形成空心通道,再在管腔内铺内皮、管外加入周细胞和星形胶质细胞,培养液可沿管腔灌流。针或线材成型通常得到直而不分支的管道。自组装模型则让细胞在凝胶内形成血管网络,邻近通道供应培养液;这些不同结构对灌流、成像和可重复取样提出不同要求。

球状体和类器官可组织多类神经血管细胞,但聚集成团与干细胞分化得到的结构需要区分。综述指出,部分文献把内皮、周细胞和星形胶质细胞的聚集体也称为“类器官”;比较研究时应明确其形成过程、细胞来源和是否具有可灌流血管。

原 Figure5 比较水凝胶层叠结构及 4 类芯片血侧、脑侧、膜或凝胶的几何关系,并标出内皮、周细胞、星形胶质细胞和流动方向。

窄屏可横向滑动查看完整图表。

水凝胶与微流控 BBB 模型的细胞布局;芯片部分比较夹层、并行通道、空心管道和自组装血管网络。(Laura O’Halloran 等;部分图形:NIAID Visual & Medical Arts / Ryan Kissinger / Frontiers in Pharmacology, 2025, Figure 5;CC BY 4.0)

药物问题与重复性要求共同约束模型选择

对跨屏障运输和外排的研究,需要清楚的给药、接收边界及运输检测;对多细胞相互作用和组织内药物累积的研究,则更关注空间组织与成像。动态模型可引入剪切作用,三维模型可增加细胞接触,复杂结构也提高培养和检测要求。

作者把材料与细胞批次差异、报告一致性和独立验证列为后续重点,并提出结合不同布局的优势。综述中的疾病及药物例子来自所引用的原研究,新的混合模型和监管用途仍需要围绕具体使用情境验证。

来源与延伸阅读

  1. 3D in vitro blood–brain barrier models: recent advances and their role in brain disease research and therapy. Frontiers in Pharmacology (2025). ↗