血脑屏障—脑组织的 3 模块串联系统
2018 年发表于 Nature Biotechnology 的研究 A linked organ-on-chip model of the human neurovascular unit reveals the metabolic coupling of endothelial and neuronal cells，研究脑血管与神经细胞怎样共同维持运输和代谢。
神经血管单元（neurovascular unit，NVU）包含脑微血管内皮、周细胞、星形胶质细胞及神经元。血脑屏障（blood–brain barrier，BBB）既影响物质进入脑组织，也参与供能和局部细胞之间的作用。
研究将入口屏障、脑组织及出口屏障分为 3 个相互作用的芯片模块。它们表示同一个器官内的不同功能区域，能够分别取样，并与未串联的培养体系比较。
串联与单独培养的蛋白组比较
无标记蛋白组学在不同区域中识别约 1,500–2,000 种蛋白，用于比较单独培养体系与串联系统。共同作用后，内皮、血管周围及脑细胞的表达模式均发生变化。
研究观察到，内皮囊泡运输相关过程减少，血管周围细胞的氨基酸和蛋白合成相关过程增加，多区域的代谢相关蛋白也增加。作者将这些结果与各细胞在神经血管单元中的功能联系起来。
串联后，周细胞标志蛋白 CSPG4 和脑区的神经生长相关蛋白 GAP43 均显著增加。通路分析提示细胞增殖、迁移及部分应激反应减弱。
跨屏障运输与局部暴露分别测量
作者使用甲基苯丙胺作为已知能够影响屏障的研究工具，比较入口与出口模块的变化。入口屏障出现细胞间连接和通透性改变，出口模块则没有同样反应，体现不同区域实际暴露并不一致。
系统沿途的屏障运输、液体混合及材料吸附都会改变暴露。研究通过质谱及质量平衡分析观察这些差异，比较给药量与各细胞分区实际暴露量之间的关系。
与屏障变化一起，荧光标记物及针对神经元表面目标的抗体更容易进入脑区。撤去工具药后，部分屏障功能恢复，但此前已经结合神经元的抗体仍留在脑芯片中。
同位素示踪分析分区代谢与神经递质合成
非靶向代谢分析显示，各分区有不同的分泌产物。血管内皮及周围细胞产生的物质与脑区能量利用、神经递质和细胞维持相关。
工具药处理后的代谢比较还显示，N-乙酰天冬氨酸相关水平下降、尿酸分泌增加，方向与此前针对长期滥用甲基苯丙胺者的研究结果相近。血管周围细胞出现的代谢变化种类更多，提示同一系统中不同细胞分区的响应程度存在差别。
研究进一步使用碳同位素标记葡萄糖观察下游代谢物。不同分区中的丙酮酸、乳酸、谷氨酰胺和谷氨酸标记发生变化，使作者能够比较代谢底物在各区域间的转化。
含星形胶质细胞的分区均观察到谷氨酰胺合成，谷氨酸也可在内皮及血管周围区域生成。这些结果把代谢变化定位到不同细胞组合所在的区域。
标记的 γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）仅在包含神经元的脑区产生。串联系统中的 GABA 和标记谷氨酰胺水平更高，支持血管与周围细胞的代谢产物影响脑区神经递质合成。
串联还改变了谷氨酸的碳同位素分布，但其总浓度未发生变化。作者据此分析了血管分区分泌物对脑区代谢路径的影响。
实验与通量模型解释代谢协作
代谢通量模型提示，外源乳酸和丙酮酸可参与神经递质合成。在单独脑芯片中，研究者也检测到由标记乳酸或丙酮酸生成的标记 GABA，支持了这一解释；串联系统中的 GABA 合成量进一步升高。
作者提出，这类分区系统可进一步用于研究药物跨血脑屏障运输、局部靶点作用及非靶向效应。