一、研究背景与目的
1. 血脑屏障的重要性
血脑屏障(BBB)是中枢神经系统(CNS)的关键保护屏障,通过紧密连接蛋白、主动转运蛋白和酶代谢过程限制药物渗透,是CNS疾病药物开发的主要障碍。
2. 现有体外模型的局限性
- 多数模型(如hCMEC/D3细胞、啮齿类原代内皮细胞)的跨内皮电阻(TEER)低(140–300 Ω·cm²),BBB表型不足。
- 干细胞来源模型虽TEER高(3000–4000 Ω·cm²),但培养成本高、操作复杂。
- 静态培养缺乏生理剪切应力,难以模拟体内BBB的力学环境。
3. 研究目标
阿斯顿大学药学院Basma Elbakary et al.利用Kirkstall Quasi Vivo 动态灌注系统,构建基于猪脑微血管内皮细胞(PBMEC)的高TEER体外BBB模型,评估剪切应力对屏障功能的影响及药物渗透特性。
二、北京基尔比生物公司Kirkstall Quasi Vivo 动态灌注系统的功能与应用
1. 系统设计与工作原理
包含串联chambers、培养基 reservoir、微流泵等,通过调节流量(275–550 µL/min)模拟生理剪切应力(4–30 dyne/cm²),促进细胞接触流体力学刺激。
2. 在BBB模型中的具体应用
2.1 优化剪切应力条件:通过低流量(275 µL/min)和高流量(550 µL/min)测试,确定550 µL/min为最优流量,可促进PBMEC紧密连接蛋白ZO-1的定位与表达。
2.2 维持高TEER值:动态灌注下,PBMEC单层的TEER值显著高于静态培养;第4天TEER达35.7 Ω·cm²(静态为21 Ω·cm²),并维持至第7天。 加入紧密连接诱导剂后,动态组TEER峰值达448.1 Ω·cm²(静态为306.3 Ω·cm²)。
2.3 调控细胞形态与功能: 剪切应力诱导PBMEC沿血流方向重排,ZO-1蛋白在细胞间连接区的荧光强度增加1.52倍(48小时后),紧密连接“solidity”提高1.21倍。 细胞 viability 未受剪切应力抑制,高流量组(550 µL/min)培养4天后 viability 显著提升28.2%。
2.4 评估药物渗透特性:以抗肿瘤药物米托蒽醌(Mitoxantrone)为例:
三、研究结果与结论
1. 核心发现
Kirkstall Quasi Vivo系统通过动态灌注施加剪切应力,可显著改善PBMEC的BBB表型,包括紧密连接形成、TEER维持和药物外排功能。该模型无需共培养星形胶质细胞,仅通过PBMEC与星形胶质细胞条件培养基(ACM)即可构建高TEER屏障(448.1 Ω·cm²),优于多数现有模型。 米托蒽醌渗透实验证实,动态灌注下BBB的药物限制能力增强,更接近体内生理状态。
2. 药物开发应用价值
Kirkstall Quasi Vivo-PBMEC模型可用于评估CNS药物的渗透潜力和细胞毒性,为新药筛选提供更可靠的体外工具。 操作简便,适合高通量研究。 该模型可进一步扩展至多细胞共培养(如周细胞、星形胶质细胞),或结合3D培养技术,更全面模拟体内BBB的复杂微环境。
四、关键数据对比
五、研究意义
本研究首次将北京基尔比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo系统与PBMEC结合,构建了可重复、高TEER的体外BBB模型,为解决中枢神经系统药物递送难题提供了新的技术路径。Kirkstall Quasi Vivo系统通过模拟生理剪切应力,填补了静态模型的力学环境缺失,为BBB的生理功能研究和药物开发提供了更贴近体内环境的实验平台。