미세 흐름 제어 혈액 뇌 장벽 칩 개술

혈뇌장벽 (BBB)는 뇌와 중추신경계(CNS)를 보호하고 안정적인 내부 환경을 유지하는 선택적 장벽이다.그것은 내피세포, 주세포, 신경교질세포와 세포외기질로 구성되여 장벽의 완전성을 확보한다.혈뇌장벽 기능 장애는 알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 질병과 관련돼 유해물질이 중추신경계에 들어가게 한다.현재의 혈뇌장벽 모델은 표적요법을 개발하고 잠재적인 신경독성 외래물질을 식별함으로써 이러한 질병을 더 잘 연구할 수 있으며, 이는 신경과학과 약리학 분야에서 중요한 한 걸음을 내디뎠음을 대표한다^[1-2]。

전통적인 연구는 혈뇌장벽(BBB) 의 방법, 예를 들어 Transwell 소실 실험과 동물 모델은 과도한 간소화, 생리적 관련성 차, 종속 차이 등의 한계가 있다.

미세 흐름 제어 혈액 뇌 장벽 모형 (μBBB) 공학 시스템을 통해 체내 혈뇌 장벽 기능을 시뮬레이션하여 이러한 문제를 해결합니다.이 모델들은 환경을 정확하게 제어하고 세포 공동 배양을 지원하며 절단 응력을 가하고 인간의 뇌 환경 조건을 복제할 수 있습니다.미세흐름통제혈뇌장벽설비는 고해상도영상, 세포내감시측정과 세포외반응분석을 진행할수 있어 중추신경계질병연구, 치료선별과 신경독성테스트의 리상적인 도구로 될수 있다.그들은 혈액 뇌 장벽 연구를 추진하는 데 큰 잠재력을 제공했다^[2]。

이상적인 체외 혈액 뇌 장벽 (BBB) 모델은 다음과 같은 체내 혈액 뇌 장벽의 핵심 특징을 복제해야합니다.

l내피세포(ECs) 3D 혈관 샘플 구조 형성

l세포간 상호작용

l유체 유동이 내피세포에 미치는 절단 응력

l얇고 구멍이 많은 기저막 (BM)

체외 에서 혈뇌 장벽 을 시뮬레이션 하다보유도전적인 측면 중 하나는 세포 분화, 체내 균형, 조직 유지 및 구조 지원 등의 과정에서 핵심적인 역할을 하는 천연 기저막을 정확하게 복제하는 것입니다.이상적인 상황에서 인공 기저막은 생물 상용성 재료를 사용하여 제조해야 하며, 두께는 대략 100나노미터.

1 마이크로 흐름 제어 장치 설계

1.1 샌드위치 디자인 레이어드 디자인

이 미세 흐름 제어 혈액 뇌 장벽 설계의 특징은 상하 2 층 폴리 메틸 실리콘 (PDMS) 채널, 중간은 다공성 필름으로 구분됩니다.일반적으로 Transwell 시스템과 유사한 0.2 ~ 3㎛ 범위의 폴리카보네이트 필름을 사용합니다.내피세포는 보통 상층 통로에 접종되지만 주세포, 성형교질세포 또는 기타 뇌세포는 하층 통로에서 배양된다.

폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 다른 투명막은 고해상도 영상을 구현하고 생물분자 운송과 세포 성장을 실시간으로 모니터링할 수 있다.또한 세포 접종 배치를 거꾸로 하는 것, 즉 하층 통로의 3차원 혈관 샘플 구조에서 내피세포를 배양하는 것 (ECs），이와 동시에 상층통로에 주세포와 성형교질세포를 접종하면 세포간의 상호작용에 대한 관찰을 증강시킬수 있다.

그림1 칩에 피 뇌 장벽 샌드위치 설계도.（A) 칩의 상단과 하단 부분을 포함한 분해도,

각각 8개의 채널이 포함되어 있으며 다중 구멍으로 PDMS 필름 분리.(B) 2층 설비 설계의 설명도,

특징은 두 개가 같다는 거예요. PDMS 부품, 하나는 거꾸로 되고 다른 부품과 접착됩니다.(C) 2층 장치에서 8가지 다른 조건 생성^[2]

1.2 평행 설계

수평으로 정렬된 두 채널은 PDMS 마이크로 채널 어레이로 구분되어 기존 폴리카보네이트 필름을 PDMS 기반 마이크로 기둥"필름"(3마이크로미터 간격)으로 대체^[3]이 설계는 성형교세포나 뇌종양세포와 함께 배양할 수 있으며 별도의 화학적 손질 없이 조립 과정을 간소화했다.평면배치는 세포간의 상호작용과 영상효과를 개선하였다.

이 설비의 특징은 조직 격실이 하나 있고, 양쪽에는 유체 진입구가 있는 두 개의 혈관 통로가 있으며, 현미경 적재 유리 조각에 조립되어 진입로에 사용되는 플라스틱 파이프가 장착되어 있다.

그림2 칩의 혈뇌장벽 영상.A. 다이어그램은 장치 센터의 조직 칸막이를 보여줍니다.

주위는 두 개의 독립된 혈관 통로로 둘러싸여 있으며 유체가 입구로 들어간다.B. 이 설계에서 세포배양의 도식도.

C.설비는 현미경 적재 유리 조각에 조립되어 있으며, 플라스틱 관 (짙은 남색) 을 장착하여 각 혈관 통로와 조직 격실로 들어갈 수 있다^[3]。

1.3 3차원 관상 구조 설계

전통PDMS μBBB 모델은 직사각형 마이크로 채널을 사용하여 흐름이 고르지 않고 절단력이 고르지 않아 내피세포 행동에 영향을 준다.이 문제를 개선하기 위해 일부 모델은 3D 콜라겐 기반 마이크로 혈관 파이프 (지름 75-150 μm) 와 같은 균일한 절단력을 위해 원통형 마이크로 채널을 사용하여 유체 유속을 통해 파이프 지름을 정확하게 제어하고 μBBB 장비에 통합합니다.

그림3 뇌미세혈관계통도^[4]

2 혈액 뇌 장벽 칩 실험 장치

칩에 통합된 혈액 뇌 장벽 실험 장치:

1. OB1 트래픽 컨트롤러

2. 트랜지스터

3. UX 재순환 밸브

4. UX 할당 밸브

5. UX 컨덕터

6. 삼통 / 2통 밸브

7. 마이크로 흐름 제어 유량 센서

8. 조인트, 파이프 및 루어 조인트

9. 액체 저장탱크

10. 혈액 뇌 장벽 칩 모형에 사용되는 마이크로 흐름 제어 칩

11. 마이크로 흐름 제어 소프트웨어

2.1점은 Elveflow 장치의 이점

1. OB1 압력 컨트롤러

l정확한 유체 유량 제어：OB1은 압력조절기를 사용하여 빠르고 안정적인 압력조절을 실현할 수 있다.이러한 정확성은 미세 흐름 제어 환경이 생리적 조건을 긴밀히 시뮬레이션할 수 있도록 보장하며, 이는 혈액 뇌 장벽의 동적 특성을 정확하게 복제하는 데 매우 중요하다.

l동적 주입 능력: 칩의 혈뇌장벽장치에서 적당한 절단응력을 유지하는것은 내피세포의 기능에 극히 중요하다.OB1은 유체의 흐름을 통제하고 동적 주입을 실현하며 체내 혈류 조건을 시뮬레이션하여 모델의 생리적 관련성을 강화할 수 있습니다.

2. UX 할당 밸브

l자동 순서 주사: 이 밸브는 각종 시약, 약물 또는 배양기를 절차에 따라 혈뇌장벽칩에 수송할수 있다.이러한 자동화는 체내 조건을 긴밀히 시뮬레이션하는 동적 주입 실험을 진행하는 데 매우 중요하며 모델의 생리적 관련성을 강화합니다.

3. UX 재순환 밸브

l시뮬레이션 생리 유동 조건：MUX 재순환 장치는 혈뇌 장벽에서 내피 세포가 경험하는 절단 응력과 유체 역학을 복제하는 데 필수적인 유체에 대한 정확하고 프로그래밍 가능한 재순환을 허용합니다.

l통제된 재순환으로 현실적인 혈류 패턴 확보: 이것은 내피세포의 형태와 기능을 유지하는 데 매우 중요하다.

l약물 검사 및 독성 선별: 통제 가능한 방식으로 약물 또는 나노 입자를 도입하고 재순환시켜 시간에 따라 혈액 뇌 장벽과의 상호 작용을 연구합니다.

l동적 공동 배양 시스템: 세포의 활력과 긴밀한 연결을 유지하는 데 필수적인 지속적인 주입을 보장합니다.

l오염 위험 감소: 닫힌 루프 재순환큰오염 위험을 최소화하는 것은 개방 주입 시스템에서 흔히 볼 수 있는 도전이다.

3 응용 분야

3.1 신경계 질환 모델링

l뇌종양: 혈뇌장벽 (BBB) 모델은 혈관 교종 시작 세포 (뇌종양 침범의 핵심 요소) 가 그 환경에서 상호 작용하는 것을 연구하는 데 사용됩니다.이밖에 체외혈뇌장벽시스템을 사용하면 뇌종양전이의 메커니즘을 더욱 똑똑히 료해할수 있다.환자 유래의 콜로이드 모세포 종양 구체를 마이크로 흐름 제어 시스템에 통합함으로써 이러한 모델은 강력한 종양 살상 능력을 갖춘 약물을 선별하는 데 효율적인 플랫폼을 제공합니다.

l신경 기능 장애 질환: 신경질환의 병변중의 염증반응은 면역세포 (중성립자세포, 신경교질세포, 성형교질세포 포함) 의 집결과 이동에 의해 일어난다.알츠하이머병과 같은 신경계 질환 모델에서 신경염증은 소교세포와 성형교세포의 활성화에 의해 구동된다.활성화된 면역세포는 염증세포인자를 방출하는데 종양괴사인자를 포함한다 (TNF) - 알파와 백혈구 매개체(IL)-1.이 반응 과정에서 세포인자와 면역세포는 혈뇌장벽(BBB)을 파괴해 혈액이 뇌로 스며들어 불가역적인 뇌조직 손상을 초래하는 경우가 많다.

3.2 신경생물학 연구

세포 간 및 세포와 세포 외기질을 포함하여 미세 흐름 제어 플랫폼 내에서 뉴런 세포 주변의 미세 환경을 제어합니다 (ECM)간의 상호작용은 신경줄기세포가 신경계의 구성부분으로 분화되도록 체내와 류사한 미세환경을 마련해줄수 있다.

미세 흐름 제어 기술을 신경 생물학과 결합함으로써 중추 신경계 배양과 같은 이 분야의 기술적 도전을 해결할 수 있습니다 (CNS) 뉴런, 분리축돌기, 배양된 뉴런을 도안화, 축돌기 손상을 시뮬레이션하기 위한 신경돌기 성장을 유도하고 축돌기 내 국소 단백질 합성, 축돌기 재생과 축돌기 운송 등의 과정을 연구한다.

3.3 체외 약물 개발

칩상 혈뇌장벽시스템은 동태와 생리 관련 조건에서 약물이 혈뇌장벽을 통과하는 침투성을 평가할 수 있는 플랫폼을 제공하여 전통적인 체외모델의 한계를 해결하였다.그들은 수용체가 전도하는 트랜스포머 작용과 중추신경계의 표적 배달에 대한 나노 운반체 최적화를 포함한 약물 탑재 나노 입자를 평가할 수 있다.혈액 뇌 장벽의 세포 복잡성을 복제함으로써 이러한 모델은 질병의 특정 조건에서 신경 보호제와 항체를 테스트하는 데 도움이됩니다.통합 센서는 약물 독성, 뉴런 활동 및 시냅스 동작을 깊이 이해할 수 있습니다.맞춤형 약물 선별 및 특정 질병에 대한 연구를 지원하는 환자 출처의 세포를 사용합니다.^[4]。

3.4 칩에서의 뇌축 연구

다기관 칩은 질병과 약물 개발 맥락에서 뇌와 다른 기관 간의 상호 작용을 연구 할 수있는 플랫폼을 제공합니다.그들은 폐암 뇌 전이와 같은 복잡한 병을 연구 할 수 있으며, 그 안에서 동적 과정을 복제하고 상세하게 연구 할 수 있습니다.이 칩들은 미생물군을 밝히는 데도 도움이 된다 -장-뇌축의 통신 경로, 장 건강이 신경계 질환에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀낸다.간성 뇌질환의 간-뇌축이나 뇌-비축의 면역 조절과 같은 상호 연결된 장기 시스템을 시뮬레이션함으로써 다기관 칩은 전신성 질환을 이해하는 종합적인 방법을 제공합니다.동적 생리 환경을 시뮬레이션하는 그들의 능력은 기관 간 통신 및 치료 개발에 대한 획기적인 연구를 촉진합니다.

참고 문헌

1. X. 선;C. 리우;L. Muok;C. Zeng 및 Y. Li, Dynamic 3D On-Chip BBB Model Design, Development, and Applications in Neurological Diseases, Cells, 2021년

2. M. 자카로바;M. A. 팔마 도 카르모;M. W. 반 데르 헬름H. 레-더;M. N. S. 드 그라프;V. Orlova;A. 반 덴 베르크;A. D. 반 데르 메어K. Broersen 및 L. I. Segerink, Multiplexed blood-brain barrier organ-on-chip, Lab on a Chip, 2020.

3. S. P. 데오사르카르;B. 프라바카르판디안;B. 왕;J. B. 제제비 제제제비 제제비 제제제비 제제제비 제제제비 J J J. B. B. 제제제제비 제제제B. Krynska와 M. F. Kiani, 칩에 있는 새로운 동적 신생아 혈액 뇌 장벽, PlosOne, 2015

4. J.A. 김;H.N. 김;S-K. 임;S. 중;J.Y. Kang 및 N.Choi, Collagen-based brain microvasculature model in vitro using 3D printed template, Biomicrofluidics, 2015

5. X. 왕;Y. Hou;X. 아이;J. 선;B. Xu;X. 멘;Y. Zhang와 S. Zhang, 실내 약물 개발을 위한 microfluidics 기반 혈뇌 장벽 (BBB) -on-칩의 잠재적 응용 프로그램, 생물 의학 및 약제 치료, 2020