سد خونی مغزی
سد خونی مغزی سدی با خاصیت انتخاب پذیری بالا است که با تنظیم دقیق نقل و انتقالات مولکول‌ها از عروق خونی به مغز از آن در برابر ترکیبات خارجی، مواد سمی و پاتوژن‌ها محافظت می‌کند. ساختار سد خونی مغزی از چندین سلول شامل سلولهای اندوتلیومی، پریسیتها و آستروسیت تشکیل‌شده است. سطح بالای انتخاب پذیری این سد باعث شده است که از ورود بسیاری از دارو‌های درمانی که مغز را مورد هدف قرار می‌دهند جلوگیری شود.
مدلهای سد خونی مغزی
به‌منظور درمان اختلالات عصبی، توسعه مدلهای فیزیولوژیکی سد خون مغزی موردتوجه قرارگرفته است. در حال حاضر از مدل‌هایی حیوانی به‌منظور بررسی اثربخشی و سمیت دارو‌ها استفاده می‌شود. مزیت اصلی مدلهای حیوانی، ایجاد دانش زیستی اولیه بر روی یک موجود زنده است. مدلهای حیوانی ساختار اساسی سلول و خصوصیات مورفولوژیکی، نفوذپذیری سد و مکانیسم حمل‌ونقل را توضیح می‌دهد. اما اعتبار آزمایش‌های حیوانی برای پاسخ دارویی و تغییرات فیزیولوژیک انسانی بسیار پایین است، به‌طوری‌که بیش از ۸۰٪ دارو‌های تائید شده در مدل حیوانی، در آزمایش‌های بالینی انسانی به دلیل تفاوت‌های ژنتیکی، مولکولی و ایمونولوژیک شکست‌خورده‌اند. همچنین در برخی از بیماری‌ها مکانیسم‌های پاتولوژیک بین مدلهای انسانی و حیوانی متفاوت است.
ازاین‌رو برای غلبه بر این محدودیت از روش‌های آزمایشگاهی کشت سلول مبتنی بر سلولهای انسانی استفاده می‌شود. گرچه این مدل ساده و قابل تکرار است اما فاقد ساختار‌های مغزی ایجادکننده سد خونی مغزی می‌باشد. به‌منظور شبیه‌سازی این سد اجزاء مرتبط مغز به‌خصوص آستروسیتها، پریسیتها و نورون‌ها باید در یک بستر کشت داده شوند. ازجمله پرکاربردترین بستر هم کشتی می‌توان به سیستم ترانسول(Transwell) اشاره کرد. از مزایای این سیستم می‌توان قابلیت اندازه‌گیری مقاومت بین اندوتلیومی و سنجش نفوذپذیری را اشاره کرد. بااین‌حال لازم است به دلیل پیچیدگی و عملکرد سد خونی مغزی یک سیستم هم کشتی مبتکرانه جدید توسعه داده شود.
فنّاوری ارگانوئيد برای ساخت سه‌بعدی بافت‌ها در آزمایشگاه و بازسازی اندام‌های انسانی توسعه‌یافته است. ساختار‌های شبه سد خونی مغزی در ارگانوئید‌ها مغزی سه‌بعدی بازسازی‌شده‌اند. برای مثال به ارگانوئيد‌های مغزی ساخته‌شده، سلولی‌های اندوتلیومی اضافه‌شده تا ارگانوئيد‌های مغزی حاوی عروق ایجاد شود. واسکولاریزاسیون باعث افزایش سرعت بلوغ و کاهش آپوپتوز ارگانوئيد قشری می‌شود. عروق گسترش‌یافته در ارگانوئيد قشری، ویژگی‌های سد خونی مغزی را به نمایش می‌گذارند. در تحقیق دیگر پیوند ارگانوئيد‌های مغز انسان به مغز موش باعث عصب‌زایی و واسکولاریزاسیون شد که خود راهکاری برای ساختار‌های شبیه سد خونی مغزی در ارگانوئيد‌های مغزی ارائه می‌کند.
سد خونی مغزی بر روی تراشه
میکرو محیط پیچیده سد خونی مغزی کاربرد مدلهای فعلی برای مطالعه بیماری‌های عصبی و پیشرفت دارویی را مهار می‌کند. جریان مایع در سد خونی مغزی نقش مهمی را در حفظ عملکرد سد و هومئوستازی سیستم عصبی مرکزی ایفا می‌کند. بااین‌حال اکثر مدلهای کشت سلول آزمایشگاهی در شرایط سکون نمی‌توانند چنین جریان کنترل‌شده مایعات را نشان دهند. همچنین ساختار سلولی منحصربه‌فرد و پیچیده میکرو محیط متمایز از سد خونی مغزی را نشان می‌دهد و تعاملات بین سلولی را به‌طور دقیق نمی‌توان با سامانه‌های هم کشتی رایج مثل ترانسول، بازسازی کرد. به همین دلیل یک سیستم هم کشتی پیشرفته‌تر باید ایجاد شود.
فناوری اندام روی تراشه، سیستم میکروفیزیولوژیکی که روی آن سلول و بافت را می‌توان کشت داد، برای غلبه بر محدودیت‌های مدلهای آزمایشگاهی متداول سد خونی مغزی استفاده می‌شود. اساس این فناوری استفاده از ابزار‌های میکروفلوئيدیک است، این ابزار‌ها می‌توانند عملکرد فیزیولوژیکی در سطح بافت و اندام را شبیه‌سازی کنند. محققین توانستند با این سیستم جذب، اختلال، متابولیسم، حذف و سمیت بالقوه دارو‌های شیمیایی را مدل‌سازی کنند. این ابزار‌ها از اکثر بخش‌های بدن به‌خصوص روده، کلیه، جفت، سد خونی- شبکیه‌ای، عروق خونی، عروق لنفاوی و سد خونی مغزی تقلید می‌کنند. با استفاده از ارگان روی تراشه می‌توان همزمان چندین نوع سلول را روی یک تراشه کشت داد. یا آن‌ها را به شکل‌های زیادی با کانال‌ها یا غشا‌ها تقسیم کرد. علاوه بر این کانال‌ها اعمال جریان مایع را ممکن می‌سازند و کشت سلول‌ها به‌خصوص سلول‌هایی که نیازمند تنش برشی(از نیروی تنش برشی به‌منظور تسهیل عملکرد سد و تنظیم حمل‌ونقل استفاده می‌شود) هستند را تسهیل می‌کنند.
بنابراین اندام روی تراشه می‌تواند محیط کشت فیزیولوژیک متناسب‌تری به‌منظور مدل‌سازی سد خونی مغزی ارائه کند. علاوه بر تحقیقات از انواع تراشه‌ها ازجمله سامانه‌های سد خونی مغزی روی تراشه تجاری شده‌اند.
طراحی سد خونی مغزی روی تراشه
یکی از طرح‌های پرکاربرد سد خونی مغزی روی تراشه، استفاده از غشایی منفذ دار برای جدا کردن اتاقک‌ها است. یک اتاقک حاوی سلولهای اندوتلیومی و اتاقک طرف مقابل شامل آستروسیتها و پریسیتها (5 2A). سلولهای اندوتلیومی برای ساخت یک‌لایه‌ی حاوی فضای درون عروقی در اتاقک‌ها، می‌توانند روی غشای منفذ دار کاشته شوند و یا کشت داده شوند. عروق خونی همچنین در هیدروژل‌ها با یا بدون سلولهای دور رگی تعبیه‌شده درون هیدروژل، می‌توانند ساخته شوند (شکل 2B). این بستر می‌تواند با ماتریکس خارج سلولی یک میکرومحیط سد خونی مغزی را در شرایط آزمایشگاهی ایجاد کنند. با مهار توانایی ذاتی واسکولوژنز و آنژیوژنز، سلولهای اندوتلیومی می‌توانند برای ساخت عروق خود ساماندهی کنند (شکل2C ). این رویکرد از رشد عروق در بدن تقلید می‌کند و منجر به بهبود عملکرد سد خونی مغزی می‌شود. اخیراً مدل کروی سه‌بعدی سد خونی مغزی ایجادشده است (شکل2D ). این مدل‌ها می‌توانند به کمک انواع سلولهای سد خونی مغزی یا واحد‌های عصبی – عروقی موجود در کره‌ها، از بافت مغز تقلید کنند.کره‌های سد خونی مغزی را می‌توان با گرد‌آوری سلولهای اندوتلیومی مغزی، آستروسیتها و پریسیتها به کمک روش‌های کشت با چسبندگی پایین و ابزار‌های میکروفلوئیدیدک ساخت.
کاربرد‌های سد خونی مغزی روی تراشه
بیماری‌های مختلف عصبی شناخته‌شده‌اند که با سد خونی مغزی در ارتباط هستند. بیماری‌های مغزی می‌توانند با ایجاد اختلال در اتصالات محکم روی سد خونی مغزی تأثیرگذار باشند. نقص عملکردی مزمن سد خونی مغزی نیز با ایجاد اختلالات عصبی متعدد در ارتباط است. در این بخش به بررسی برخی از اصلی‌ترین کاربرد سد خونی مغزی رو تراشه در بیماری‌ها و شرایط مختلف می‌پردازیم.
مدلهای بیماری آلزایمر
در بیماری آلزایمر کاهش بیان پروتئین‌های اتصال محکم باعث افزایش نفوذپذیری سد خونی مغزی و گسترش مسیر خروجی از طریق ترانس سیتوز وابسته به گیرنده می‌شود. در این بیماری مکانیسم اصلی پاک‌سازی بتا آمیلوئید مختل می‌شود. مدلهای حیوانی برای مدل‌سازی آلزایمر انسانی به علت پروفایل ژنتیکی و پاتوفیزیولوژی متفاوت، مناسب نیستند. در حیوانات تجمع بتاآمیلوئيد و پروتئين تائوهایپرفسفریله مشاهده می‌شود بااین‌حال به دلیل سایر تفاوت‌های زیستی آلزایمر انسانی مانند پاتولوژی گروه نوروفیبریلاری و فرم‌های اسپورادیک، از حیوانات به‌عنوان مدل نمی‌توان استفاده کرد. به همین دلیل نتایج حاصل از مدلهای حیوانی به‌ندرت به انسان تعمیم داده می‌شود.
شین و همکاران مدل میکروفلوئيدیکی را ایجاد کردند که شامل اجزای سد خونی مغزی ازجمله تک‌لایه لوله‌ای شکل سلولهای اندوتلیومی و میکرومحیط بیماری آلزایمر می‌شود (شکل3A ). با کشت سلولهای پیش ساز عصبی انسان که جهش‌های بیماری آلزایمر خانوادگی (Familial Alxheimer’s disease) را به صورت سه‌بعدی نشان می‌دهند، میکرومحیط پاتولوژیکی منحصربه‌فرد برای بیماری آلزایمر ایجاد شد. پاتولوژی‌های اصلی بیماری آلزایمر با رسوب خارج سلولی پلاک‌های آملیوئيد و تائوپاتی به دنبال صدمه به سد خونی مغزی، همان‌طور که در بیماران مبتلا به آلزایمر مشاهده می‌شود، ایجاد شدند؛ مثل افزایش نفوذپذیری سد خونی مغزی، کاهش بیان پروتئین‌های اتصال محکم و چسبنده، افزایش گونه‌های فعال اکسیژن و متالوپروتئيناز ماتریکس. و مهم‌تر از آن رسوب آملیوئيد‌ها در سطح خارجی سلولهای اندوتلیومی مغز دیده می‌شود.
مدل سکته مغزی ایسکمیک
در سکته مغزی ایسکمیک ناکافی بودن میزان خون منجر به نوروپاتولوژی‌هایی می‌شود که در آن سد خونی مغزی مختل شده است و باعث آسیب اتصالات محکم و تغییرات یونی در مغز می‌شود. بااین‌حال دارو‌های تائید شده در مدلهای حیوانی احتمالاً به دلیل تفاوت‌های فیزیولوژیکی و پاتولوژیکی بین انسان و حیوان، در آزمایش‌های بالینی شکست خورده‌اند. لیو و همکاران مدل میکروفلوئيدیک سکته مغزی ایسکمیک را طراحی کردن. که در این مدل با تزریق ۲ درصد اکسیژن و کاهش سرم و گلوکز به مدت ۲۴ ساعت یک شرایط ایسکمیک ایجاد شده تا ناحیه اطراف محل آسیب ایسکمیک را شبیه سازی کند.
مدلهای بیماری عفونی
باکتری‌ها و ویروس‌ها به کمک انتقال فعال وابسته به گیرنده و یا افزایش نفوذپذیری سد می‌توانند از سد خونی مغزی عبور کنند. عفونت پاتوژن‌ها نیز می‌تواند در بازسازی عملکرد مدل سد خونی مغزی مؤثر باشد. کیم و همکاران با استفاده از سلولهای بنیادی عصبی انسان، سلولهای اندوتلیومی ریز عروق مغزی، پری‌سیت عروق مغز در ماتریکس سه‌بعدی مشابه مغز حاوی کلاژن و هیالورنیک اسید، یک مدل میکروفلوئيدیک واحد عصبی عروقی را ارائه دادند. برای شبیه‌سازی عبور کریپتوکوکوس نئوفرمانس از سد خونی مغزی، پاتوژن قارچی که مننگوسفالیت کشنده می‌دهد، از تراشه میکروفلوئيدیک واحد عصبی – عروقی با ساختار سد خونی مغزی استفاده می‌شود (شکل 3B). تراشه میکروفلوئیدیک در جریان یک‌طرفه که توسط جاذبه گام‌به‌گام هدایت می‌شود، بدون سرنگ و یا لوله کشت داده شد. کریپتوکوکوس نئوفرمانس بدون ایجاد تغییر در اتصالات محکم می‌تواند به سد خونی مغزی نفوذ کند. علاوه بر این، نوروتروپیسم کریپتوکوکوس نئوفرمانس در طرح تراشه مختص چند اندام شبیه‌سازی شد. در سال‌های اخیر عفونت بیماری کرونا ویروس در دستگاه میکروفلوئیدیکی سد خونی مغزی شبیه‌سازی‌شده است.
مدلهای سرطان مغز
درمان‌های دارویی سرطان مغز به دلیل نفوذپذیری پایین سد خونی مغزی و تهاجمی بودن تومور‌های اولیه مغزی و متاستاز تومور‌های مغزی از چندین نقطه، محدود هستند. علاوه بر این تومور‌ها برای مقاومت در برابر درمان می‌توانند با میکرومحیط اطراف ازجمله اجزای سلولی و غیر سلولی تعامل داشته باشند. بنابراین به بستر‌های آزمایشگاهی کارآمد‌تری از تومور‌های مغزی حاوی عروق خونی نیاز است. سئو و همکاران یک سد خونی مغزی را روی تراشه طراحی کردند تا میکرومحیط بافت مغز را با استفاده از آستروسیت‌های انسانی و پری‌سیت‌های عروق مغزی تعبیه‌شده در ماتریکس سه‌بعدی هیدروژل بازسازی کنند (شکل3C ). تک‌لایه‌ای از سلولهای اندوتلیومی مغز انسان درون ماتریکس، عروق خونی را تشکیل دادند و میکرومحیط گلیوبلاستوما مولتی فرم را با اضافه کردن کره‌های GBM به مدل کامل سد خونی مغزی بازسازی کردند تا پاسخ‌های دارویی را پیش‌بینی کنند.
مطالعه مکانیسم‌های حمل‌ونقل
یکی از معضلات اصلی در درمان بیمار‌های عصبی، نفوذپذیری پایین سد خونی مغزی نسبت به دارو‌ها است. پارک و همکاران سد خونی مغزی روی تراشه را با سلولهای بنیادی پرتوان القایی مشتق شده از اندوتلیوم ریزعروق مغزی ایجاد کردند که یک لومن عروقی در کانال پایینی(جداشده توسط غشای منفذ دار) و آستروسیت‌های انسانی و پریسیتها کاشته شده در بالای غشای منفذ دار دارد. در هنگام تمایز سلول‌ها تحت شرایط هیپوکسی قرار گرفتند و همین باعث افزایش عملکرد سدی اندوتلیومی شد.
آن و همکاران سد خونی مغزی دیگری روی تراشه ایجاد کردند که در بالای غشای منفذ دار سلولهای اندوتلیومی عروق ریز و در سمت مخالف غشا، پری‌سیت‌های عروق مغزی انسان قرار داشتند(شکل 3D). مهم‌تر از آن آستروسیتها به‌صورت سه‌بعدی در جهت مخالف غشای منفذ دار کاشته شده بودند تا نقش آستروسیتها در پاتولوژي سد خونی مغزی را با کاهش گلیوز واکنشی و شبکه آستروسیتی برجسته کنند.
اخیراً ایلنبرگ و همکاران نیز کره میکروفلوئيدیک چند اندازه‌ای را برای ایجاد کره‌های سد خنی مغزی حاوی سلولهای اندوتلیومی مغز، پری‌سیت‌های و آستروسیتها معرفی کردند و برای مطالعه جذب وابسته به‌اندازه مواد، از کره‌هایی با اندازه‌های مختلف استفاده کردند.
سد خونی مغزی روی تراشه در دهه اخیر به‌سرعت توسعه‌یافته است. مدل‌سازی بیماری‌ها مختلف و مطالعه مکانیسم حمل‌ونقل با استفاده از سد خونی مغزی روی تراشه انجام‌شده است. در مطالعات آتی سد خونی مغزی روی تراشه انتظار می‌رود استفاده از سلولهای بنیادی بیماران و تلفیق حسگر‌های تحلیلی، مدلهای بالینی مرتبط‌تری به ما بدهد.
