血脑屏障体外模型的研究进展(综述)
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脑室外引流术(external ventricular drainage,EVD)是神经外科的基本术式之一,能有效引流脑室内容物,监测和控制颅内压(intracranial pressure,ICP),临床应用极为广泛。
世界上首例EVD由医生Claude-Nicholas Le Cat于1744年完成[1]。
在随后的200多年间,这一技术逐渐发展、改进和扩大了临床适应证。
时至今日,EVD已拥有一整套规范化的手术流程,现常用于脑室出血、蛛网膜下腔出血、脑积水和其他颅内疾病的诊治,特别是急性颅内高压等神经外科急症的治疗[2]。
EVD系统是由体内引流管和体外无菌闭合性引流装置组成,EVD通过这个密闭系统将脑脊液向体外持续引流。
虽然这类手术的标准化和精细化程度逐渐提升,并出现了新型的导管材料和标准化的术后导管护理,但是由于引流管通常需要长时间留置(通常达1至2周以上),患者术后容易发生脑室外引流相关感染(external ventricular drainage related infection,ERI),还脑室外引流相关感染防控的研究进展孙艳梅1,2,罗霜1,3综述王鹏1,3审校1.成都市第五人民医院(成都中医药大学附属第五人民医院,第二临床医学院)神经外科(成都611130);2.成都中医药大学医学与生命科学学院临床医学系(成都611137);3.成都市肿瘤防治所(成都611137)【摘要】脑室外引流术(external ventricular drainage,EVD)是神经外科常用的手术方式之一,通过穿刺患者脑室并安置外引流管从而达到引流脑室内容物的目的。
脑室外引流相关感染(external ventricular drainage related infection,ERI)是一种严重的EVD并发症,可显著增加死亡率、延长住院时间及增加治疗费用。
近年来,ERI的控制策略日渐完善和丰富,但主要集中在提高手术的整体安全性和制定群体性预防措施上,在感染信息化预测和精准防控方面还相对不足。
生物医学研究的体外和体内模型技术进展及其应用随着生物医学研究的深入,对于疾病的研究不能仅仅依靠临床数据和动物实验。
由于人体复杂的生理结构和环境,以及道德、法律和安全等限制,单一实验手段已经无法满足研究需要。
因此,体外和体内模型技术成为了现代生物医学研究的重要手段,得到了广泛关注和应用。
一、体外模型技术体外模型,也称为细胞系、细胞培养模型或体外实验,指的是直接人为将动植物组织或细胞分离、培养和鉴定,以模拟疾病的发生和病理生理变化。
相对于体内模型技术,体外模型技术具有优越的灵敏度、可重复性和便携性。
1. 原代细胞培养技术原代细胞培养毫无疑问是最早发展的体外模型技术之一,包括从组织中分离的原代细胞和从血液样品中分离的外周血单个核细胞。
此外,通过对干细胞、胚胎干细胞等特殊细胞进行培养,不仅可以推动干细胞与组织再生领域的开展,还可以帮助研究人类早期胚胎发育和诊断遗传性疾病。
2. 三维细胞培养技术与传统平板式培养技术不同,三维培养技术可以模拟更加真实的生物环境,对于某些生物医学研究领域具有独特的优势。
例如,人类肝细胞和心肌细胞,平时因为生长环境的不同,难以在二维培养环境模拟其生存环境,使用三维培养技术可以解决这个问题。
此外,三维培养技术也可以实现人体细胞与细胞之间的组织工程修复。
3. 利用基因工程技术构建体外疾病模型基因工程技术的广泛应用,使得构建许多体外神经退行性疾病模型成为可能。
研究人员通过对细胞进行特定基因的转化和敲除,模拟疾病的发生和病理生理变化过程,从而可以研究疾病发生机制与治疗方法等问题。
此外,利用不同的基因修饰策略,还可以构建多种类型的疾病模型。
二、体内模型技术相对于体外模型技术,体内模型技术更加完整地模仿了真实场景。
与此同时,体内模型技术在很多情况下具有更高的预测能力。
但由于种种原因,体内模型技术的研究成本和难度也更高。
1. 动物模型动物模型是体内模型技术最传统和常见的方法,对于很多疾病的研究和药物安全性测试都得到了广泛应用。
第30卷第4期2010年10月国际病理科学与临床杂志 h t t p ://w w w .g j b l .n e tI n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f P a t h o l o g y a n d C l i n i c a l M e d i c i n e V o l .30 N o .5O c t . 2010收稿日期:2010-07-20 修回日期:2010-08-04作者简介:魏楚蓉,硕士研究生,讲师,主要从事中药逆转肿瘤多药耐药相关研究。
通信作者:伍赶球,E -m a i l :w u g a n q i u @163.c o m冰片的药理作用及其机制研究进展魏楚蓉1,2 综述 伍赶球1 审校(1.中南大学湘雅医学院组织学与胚胎学系,长沙410013;2.井冈山大学医学院生理教研室,江西吉安343000)[摘要] 冰片是中医药中一味常用佐药。
中医认为其有开窍醒神、清热止痛、生肌之效。
现代医学研究表明冰片有抗炎镇痛、抗菌、抗病毒、保护心脑、双向调节神经系统、提高其他药物生物利用等作用。
此外,冰片在肿瘤的治疗中可能也起到一定作用。
而这些作用可能是冰片通过提高生物膜屏障通透性、影响肾上腺素、五羟色胺、一氧化氮、钙离子等物质的含量等一系列机制而实现。
[关键词] 冰片; 药理作用; 机制; 生物利用度d o i :10.3969/j .i s s n .1673-2588.2010.05.017R e s e a r c h a d v a n c e i n p h a r m a c o l o g i c a l e f f e c to f b o r n e o l a n dt h e u n d e r l y i n g m e c h a n i s mW E I C h u r o n g 1,2,W UG a n q i u1(1.D e p a r t m e n t o f H i s t o l o g y a n dE m b r y o l o g y ,X i a n g y a S c h o o l o f M e d i c i n e ;C e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t y ,C h a n g s h a 410013;2.D e p a r t m e n t o f P h y s i o l o g y ;M e d i c a l C o l l e g e ,J i n g g a n g s h a n U n i v e r s i t y ,J i a nJ i a n g x i 343000,C h i n a )[A b s t r a c t ] A s o n e o f c o m m o n l y u s e d a d j u v a n t ,b o r n e o l h a s b e e n c o n s i d e r e d t o h a v e a t h e r a p e u t i ce f f e c t f o r w a k i n g u p a p a t i e n t f r o mu n c o n s c i o u s n e s s ,e x p e l l i n g h e a t t o a l l e v i a t e p a i n a n d p r o m o t i n g g r a n u -l a t i o n .I t h a s b e e n s h o w n t h a t b o r n e o l h a s e f f e c t s o f a n t i -i n f l a m m a t o r y ,a n a l g e s i a ,a n t i b i o s i s ,a n t i v i r u s ,p r o t e c t i o no f h e a r t a n d b r a i n ,r e g u l a t i o n o f n e r v o u s s y s t e mi n t w o -w a y s ,b o o s t o f o t h e r d r u g b i o a v a i l a b i l i -t y ,e t c .I n a d d i t i o n ,b o r n e o l m a y h a v e r o l e i n c a n c e r p r e v e n t i o n .T h e s e e f f e c t s o f b o r n e o l i s r e l a t e d t o i n -c r e a s i n g t h eb i o m e m b r a n ep e r m e a b i l i t ya n dc h a n g i n gt h ec o n t e n t so f a d n e p h r i n ,s e r o t o n i n ,N O a n d C a 2+.[K e y w o r d s ] b o r n e o l ; p h a r m a c o l o g i c a l a c t i o n ; m e c h a n i s m ; b i o a v a i l a b i l i t y[I n t J P a t h o l C l i n M e d ,2010,30(5):0447-05] 冰片分龙脑冰片、艾片和合成冰片;相对分子质量为154.24,为小分子脂溶性单萜类物质;其化学成分主要是右旋龙脑、左旋龙脑或异龙脑等。
血管生成实验模型研究进展吴家明1,陆 茵1,2,郜 明1,张伟伟1(1.南京中医药大学中医药研究院,江苏南京 210029;2.江苏省方剂研究重点实验室,江苏南京 210029)收稿日期:2007-09-21,修回日期:2007-11-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(No 30371727,30772766);江苏省自然科学基金资助项目(No BK2003113)作者简介:吴家明(1980-),男,硕士生,研究方向:肿瘤血管生成与抗肿瘤转移研究,E 2mail:nj w ujia m ing@;陆 茵(1963-),女,教授,博士生导师,研究方向:肿瘤血管生成与抗肿瘤转移研究,通讯作者,Tel:025286798154,E 2mail:luyingreen@中国图书分类号:R 205;R 332;R 3632332;R 36413文献标识码:A 文章编号:1001-1978(2008)01-0011-04摘要:抗血管生成已经成为治疗肿瘤转移、糖尿病视网膜病变、风湿性关节炎等疾病的重要策略之一。
血管生成模型作为一种研究工具在探讨血管形成机制、发现促进或抑制血管生成药物等研究中发挥十分积极的作用。
如何寻找适合的血管生成模型是研究人员在研究中常遇到的问题。
该文就主要常用模型做较全面的介绍,并对其优缺点进行评价。
关键词:血管生成;模型 血管生成(angi ogenesis )是指在原有的毛细血管和(或)微静脉基础上通过血管内皮细胞的迁移和增殖,从已存在的血管处以芽生或非芽生(套迭)形式形成新的、以毛细血管为主的血管系统过程[1]。
血管生成是许多促进或抑制血管生成的分子参与调节的一个平衡过程[2]。
血管生成过多与肿瘤、糖尿病性视网膜病变等疾病有关[3],抑制血管生成已经成为治疗这些疾病的重要策略。
因此寻找血管生成抑制剂成为研究热点。
血管生成研究需借助血管生成模型进行,血管形成的许多过程都可以在血管生成模型中模拟完成,包括内皮细胞增殖、迁移、毛细血管网状结构的形成等。
军医进修学院硕士学位论文图1—1.空白总离子流图甍秽一’。
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‘“一一,乞二一一一—_=基j1i;1{T卜;|‘}i一。
…“_.,i,\j:=I√f一一;矗一1≮啬一二··‘一妇j—~—蔷i焉i—二一=-‘i≈·21图卜一2.石酉蒲挥发油总离子流图3.2石菖蒲水煎液主要化学成分研究水煎液正负总离子流图见图l一3,图中可见三个大峰,根据其一级正负离子质谱图,初步推测l。
峰化合物的分子量为396(30.5min,删2397为[M+I{】+,m/z793)hi2M+H】+,trdz815为【2M+Na】+,肌乞838为[2M+HCOOH]’);2。
峰化合物分子量为339(29.5min,聊幺340为【M+H】+,—比679为【2M+H】+,m/z701为[2M+Na]+);30峰化合物的分子量为452(31.3min,打以453为【M+H】+,m/z905为【2M|+川+,m/z927为【2M+Na】+,m/z950为[2M+HCOOH]。
),并且这三个化合物在260nm处都无紫外吸收,在石菖蒲已知化合物中未能检索到。
图l一3.石菖蒲水煎液HPLC/MS正负总离子流图蔼礴}j一5755Ave‘岣.of曼7墅当辑·7曼蕊in‘三墨洲·D‘+C’1僻60图1—5.样品中检测到化合物的质谱图3.2石菖蒲水煎液透过血脑屏障化学成分的研究给药前后动物脑脊液样品总离子流图见图1—6,给药组动物脑脊液在该色谱条件下未检测到石菖蒲中的化学成分。
图1.6.石菖蒲水煎液透过血脑屏障的HPLC/MS总离子流图(上图为空白脑脊液,下图为含药脑脊液)OO207e7ll5M∞1O51O7▲3,l1,J2lqO2_il1l一O,1CC0OOCO一一啪铷ⅢⅢ。
q随吖2.2取材SD大鼠16只,随机分为空白组,挥发油组,水煎液组,石菖蒲总药组(石菖蒲挥发油和水煎液按提取比例混合),每组4只,每天灌胃一次,共给药五天,按生药量计算给药剂量为8.19/kg,实验前禁食12h。
人体中存在着一些屏障,在人体的免疫系统中发挥着至关重要的作用。
我们将在下文简要论述人体中血脑屏障,皮肤屏障,气血屏障,胎盘屏障,以及血-睾丸屏障的生理结构和功能,以期了解各屏障对用药的影响,并对用药做出指导。
血脑屏障血脑屏障是指脑毛细血管在大脑内以连续不断的阵列环节将神经元逐个包绕其中,由于构成脑毛细血管壁的内皮细胞本身无孔,而且较其他部位排列更加紧密,所以只有极少量的细胞,小分子物质可以通过血脑屏障进入脑组织。
因此血脑屏障有助于在维持脑组织正常生理活动的同时防止有害物质侵害脑神经,维持脑内环境相对稳定。
,物质透过血脑屏障主要有四条途径:1小分子经细胞间隙扩散。
2脂溶性分子融膜扩散。
3特异受体介导的吞饮。
4特异载体通道和酶系统的激活。
然而这只能允许极少数脂溶性小分子药物通过,为了达到使更多的药物通过血脑屏障的目的,我们可以:1直接鞘内/脑室内注射给药获得极高的药物浓度,但是这样造成感染的可能性增大了。
2鼻腔给药,这要可以通过几条入血通道绕过血脑屏障,但因为鼻粘膜的存在,该途径只允许高脂溶性,小分子量药物通过,而且对粘膜损伤大。
3通过高渗溶液的方式促进屏障暂时性开放,不过这样的开放为非选择性开放,有并发症的风险。
4利用载运蛋白介导。
5抑制外排系统。
皮肤屏障皮肤屏障由皮脂膜、角质层角蛋白、脂质三层共同组成。
被形象的成为“砖墙”结构或“三明治”皮肤屏障可以阻止水分向外扩散,并具有一定的抵御炎症的作用。
角质层内角质细胞细胞膜通过γ谷氨酰交叉连接相互交联,细胞与细胞间脂质形成致密的一层的非水溶性薄膜。
可抵御蛋白酶水解作用,是人体一良好渗透屏障。
由于皮肤结构和功能的特殊性,皮肤对大多数药物来讲是一道难以逾越的屏障。
理想的经皮吸收药物分子量大小一般小于400da。
常用一些方法提高药物经皮吸收率。
例如:1.渗透促进剂如果和药物复合使用可以破坏角质层脂质的排列、与细胞内蛋白质相互作用以破坏皮肤屏障从而改善药物的分配。
描述:血脑屏障的天然屏障作用,在保护脑组织的同时也限制了众多药物的入脑转运。
芳香开窍类中药能够开窍醒脑、调节血脑屏障通透性,体现出引药上行和脑保护的特性。
该文以常见芳香开窍中药冰片、麝香、苏合香、安息香和...[摘要]血脑屏障的天然屏障作用,在保护脑组织的同时也限制了众多药物的入脑转运。
芳香开窍类中药能够开窍醒脑、调节血脑屏障通透性,体现出引药上行和脑保护的特性。
该文以常见芳香开窍中药冰片、麝香、苏合香、安息香和石菖蒲为代表,综述了近年来芳香开窍中药对血脑屏障通透性调节作用的研究进展,并对其调节机制进行了探讨。
此外,结合近年来芳香开窍中药在现代制剂中的应用,笔者认为后续研究应拓宽此类中药的应用,将其芳香开窍的特性与现代药剂学的新剂型、新技术相结合,为脑部疾病的治疗提供新的思路与方法。
血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)是血液与脑组织之间的一道天然屏障,是机体保持脑内环境稳定的重要结构基础和生理机制。
BBB可以通过调节血液和脑组织之间的物质交换阻止有害物质入脑,但同时也限制了许多药物的脑内转运,使药物在脑内难以达到适宜的浓度而不能满足脑部疾病治疗的要求。
中医学认为:“心藏神、主神明、主血脉”,“心窍通则神明有主,神志清醒”。
凡以开窍醒神为主要功效,常用于治疗闭证神昏的药物,称开窍药,又因其大多具有芳香、辛香之气,故称为芳香开窍药。
该类药:“芳香之性走窜”,易透过BBB;引药上行,能促进药物跨过BBB入脑,增加药物在脑内的浓度;且具有脑保护功能。
本文以常见芳香开窍中药冰片、麝香、苏合香、安息香和石菖蒲为代表,综述了近年来芳香开窍中药对BBB通透性的调节作用及其机制的研究进展。
1 芳香开窍中药对BBB通透性的影响1.1 冰片冰片(borneol)是龙脑香科植物龙脑香Dipterocarpus tubinatus Gaertn.f. 的树脂和挥发油加工品提取获得的结晶。
冰片最早见于《名医别录》,称为龙脑香,其别称有龙脑、冰片脑、梅花脑、天然冰片、梅片等,属芳香开窍类药物,其性微寒、味辛苦,归心、肺、脾经。
生物技术进展2019年㊀第9卷㊀第1期㊀6~12CurrentBiotechnology㊀ISSN2095 ̄2341进展评述Reviews㊀收稿日期:2018 ̄05 ̄14ꎻ接受日期:2018 ̄08 ̄20㊀基金项目:国家自然科学基金项目(31500828)ꎻ北京市博士后工作经费资助项目(2017 ̄ZZ ̄019)资助ꎮ㊀作者简介:赵清辉ꎬ博士研究生ꎬ研究方向为神经生物学ꎮE ̄mail:1178968651@qq.comꎮ∗通信作者:谢飞ꎬ助理研究员ꎬ研究方向为生物医学工程ꎮE ̄mail:xiefei990815@bjut.edu.cnꎻ马雪梅ꎬ研究员ꎬ研究方向为生物医学工程ꎮE ̄mail:xmma@bjut.edu.cn创伤性脑损伤模型研究进展赵清辉ꎬ㊀琚芳迪ꎬ㊀苏泽华ꎬ㊀罗秋丽ꎬ㊀仪㊀杨ꎬ㊀张晓康ꎬ㊀张㊀鑫ꎬ㊀谢㊀飞∗ꎬ㊀马雪梅∗北京工业大学生命科学与生物工程学院ꎬ北京100124摘㊀要:创伤性脑损伤(traumaticbraininjuryꎬTBI)不仅发病率和死亡率较高ꎬ而且也会导致其幸存者的认知活动和感觉运动功能产生不同程度的障碍ꎮ建立合理的TBI模型有助于理解TBI病理生理机制并探索其治疗方案ꎮ许多创伤性脑损伤动物模型(属体内模型ꎬinvivoTBImodel)已被用来复制人类各种创伤性脑损伤ꎬ遗憾的是ꎬ在动物实验中具有神经保护作用的治疗方案在临床研究中大多无效ꎮ由于体外培养的细胞未掺杂体内复杂的影响因素ꎬ各种创伤性脑损伤体外模型(invitroTBImodel)被逐步建立起来ꎮ根据致伤方式的不同ꎬ可将常用的体内动物模型和体外细胞模型分为机械作用力损伤模型㊁压力损伤模型㊁爆炸伤模型㊁反复性轻度损伤模型ꎮ对上述常用TBI模型的特点进行了综述和比较分析ꎬ以期为寻找在临床上具有神经保护效果的策略提供帮助ꎮ关键词:创伤性脑损伤ꎻ体内模型ꎻ体外模型ꎻ动物模型ꎻ细胞模型DOI:10.19586/j.2095 ̄2341.2018.0067ProgressonModelsofTraumaticBrainInjuryZHAOQinghuiꎬJUFangdiꎬSUZehuaꎬLUOQiuliꎬYIYangꎬZHANGXiaokangꎬZHANGXinꎬXIEFei∗ꎬMAXuemei∗CollegeofLifeScienceandBioengineeringꎬBeijingUniversityofTechnologyꎬBeijing100124ꎬChinaAbstract:Traumaticbraininjury(TBI)notonlyhashighermorbidityandmortalityꎬbutalsoleadstovaryingdegreesofimpairmentincognitiveactivitiesandsensorimotorfunctionsofitssurvivors.EstablishingareasonableTBImodelhelpstounderstandthepathophysiologyofTBIandexploreitstreatmentstrategies.Manyanimalmodelsoftraumaticbraininjury(belongtoinvivoTBImodels)havealreadybeenusedtoreplicatevarioustraumaticbraininjuriesinhuman.Unfortunatelyꎬmostofthetherapeuticregimenswithneuroprotectiveeffectsinanimalexperimentsprovedtobeineffectiveinclinicalstudies.Sincecellsculturedinvitroarenotadulteratedwithcomplexfactorswhichexitinvivoꎬinvitromodelsofvarioustraumaticbraininjurieshavebeensetupprogressively.Accordingtodifferenttypesofinjuryꎬthecommon ̄usedinvivoanimalmodelsandinvitrocellmodelsaredividedintophysicalinjurymodelꎬpressureinjurymodelꎬblast ̄inducedinjurymodelandrepeatedmildinjurymodel.Thecharacteristicsoftheabovecommon ̄usedTBImodelsweresummarizedandcomparativelyanalyzedinordertohelpforthesearchofclinicalstrategieswithneuroprotectiveeffects.Keywords:traumaticbraininjuryꎻinvivomodelꎻinvitromodelꎻanimalmodelꎻcellmodel㊀㊀创伤性脑损伤(traumaticbraininjuryꎬTBI)是世界范围内的严重问题ꎮ每年ꎬ全世界大约有1000万人遭受创伤性脑损伤ꎬ并且相当多的患者会因此暂时或永久残疾㊁甚至死亡ꎮ有研究预测ꎬ到2020年ꎬTBI将成为全球负担最重的第三大疾病[1~5]ꎮ此外ꎬTBI被证实与癫痫㊁阿尔兹海默病㊁帕金森病㊁慢性神经炎等疾病密切相关[6~9]ꎮ为了寻找合理的TBI治疗方案ꎬ研究人员建立了许多体内动物模型和体外细胞模型ꎬ用于研究TBI的病理生理机制ꎮ鉴于临床上TBI发生情况. All Rights Reserved.各异ꎬ研究人员建立了不同类别的动物模型来复制不同类型的创伤性脑损伤ꎬ虽然较大的动物在尺寸上和生理上与人类更为接近ꎬ但由于啮齿类动物具有体积小㊁成本低㊁容易量化等特点ꎬ目前被广泛应用于TBI动物模型的建立[10ꎬ11]ꎮ早期的TBI动物模型主要模拟了脑损伤的生物力学变化ꎬ近年来创建的动物模型还可用于研究由头部创伤引发的分子相互作用机制以及分子级联反应[11ꎬ12]ꎮ同样的ꎬ体外TBI模型也是研究TBI病理生理机制的重要工具ꎬ其优势在于能够减少体内复杂因素的干扰ꎬ从而更准确地反映由机械损伤引起的细胞㊁组织的生物学变化ꎮ此外ꎬ与体内模型相比ꎬ体外模型具有重复性好㊁可控性好㊁实验成本较低㊁伦理问题较少等优势ꎮ根据致伤方式的不同ꎬ常用的TBI模型可分为机械作用力损伤模型㊁压力损伤模型㊁爆炸伤模型㊁反复性轻度损伤模型ꎮ本文对上述常用模型进行了综述和比较分析ꎬ以期为寻找在临床上具有神经保护效果的治疗方案提供帮助ꎮ1㊀机械作用力损伤模型1.1㊀机械作用力损伤TBI动物模型机械作用力损伤TBI动物模型常用的有自由落体打击(weight ̄dropꎬWD)模型和控制性皮层冲击损伤(controlledcorticalimpactꎬCCI)模型ꎮWD是一种常用的造模方法ꎬ通过重物自由下落打击硬脑膜或者颅骨造成脑损伤ꎬ通常采用一根导管来引导重物自由下落ꎬ通过重物的重量和下落的高度来控制损伤程度[10ꎬ11ꎬ13]ꎮFeeneyWD模型是通过直接打击硬脑膜造成脑皮质挫伤ꎬ并通过调节撞击头的重量和自由下落的高度来建立轻度㊁中度㊁重度脑损伤模型ꎬ主要用于模拟脑震荡和脑挫裂伤[14~18]ꎮMarmarouWD模型在Feeney模型的基础上做了2个方面的改进:①将麻醉大鼠固定在海绵平台上ꎬ既可确保外力的瞬时性ꎬ也可在打击后通过抽出海绵平台ꎬ避免二次打击ꎻ②在顶部正中放置1个直径1cm㊁厚0.3cm的金属片以确保外力作用的弥散性ꎬ主要用于模拟弥漫性脑损伤ꎮ此模型的优点是方法简单㊁条件易于控制等ꎻ缺点是致死率较高ꎮCCI模型是通过高速运动的空气所产生的冲击力带动金属撞击头直接打击暴露的硬脑膜ꎬ造成一定程度的脑损伤ꎮ其主要用于复制TBI后皮质组织缺失㊁急性硬膜下血肿㊁轴索损伤㊁脑震荡㊁血脑屏障(blood ̄brainbarrierꎬBBB)功能障碍甚至昏迷等症状ꎮ该模型可以通过调节撞击停留时间㊁撞击速度㊁打击深度来控制损伤程度[19~21]ꎮ与MarmarouWD模型相比ꎬCCI模型改善了机械因素ꎬ极大降低了模型致死率ꎻ还可通过脑立体定位仪对颅脑打击位置精准定位ꎬ打击力度更为精确ꎻ同时ꎬ撞击后ꎬ撞击头自动迅速回收ꎬ避免了因挤压造成的损伤或因重物反弹造成的二次损伤[11ꎬ22ꎬ23]ꎮ总之ꎬCCI模型致伤准确㊁重复性好㊁稳定性高ꎬ使TBI生物力学的研究更为有效ꎮ1.2㊀机械作用力损伤TBI细胞模型机械作用力损伤TBI细胞模型主要包括机械横断体外细胞模型(celltransectioninjury)和牵张损伤体外细胞模型(cellstretchinjury)ꎮ机械横断体外细胞模型是采用塑料细针㊁刀片或激光将附着在培养皿上的神经细胞突起与胞体离断ꎬ用于模拟穿刺伤㊁穿透性颅骨骨折以及TBI后各种脑组织病变ꎮFaden等[24]采用1个由28个不锈钢叶片连接的冲击装置ꎬ对培养的大鼠皮层神经元细胞诱导机械损伤ꎬ切割装置在96孔组织培养板的细胞层中做均匀切割ꎬ间距为1.2mmꎻ24h后通过检测乳酸脱氢酶(lactatedehydro ̄genaseꎬLDH)释放量来测定细胞活力ꎮ结果显示ꎬ切割装置直接导致叶片下的细胞死亡ꎬ24h内ꎬ伤口周围的神经细胞逐渐死亡ꎮ随后ꎬ研究人员对模型进行改进ꎬ直接省去冲击装置ꎬ采用更为简单的黄色枪头(直径1.5mm)和白色枪头(直径1mm)机械性划割培养的大鼠皮层神经元细胞ꎬ根据划伤面积的不同来建立不同程度的损伤模型[25ꎬ26]ꎮ该模型无需特殊设备条件ꎬ操作简便ꎬ是一种简单有效的体外模型ꎻ而其不足是机械损伤参数无严格的标准ꎬ损伤严重程度仅以损伤细胞数目分级ꎮ牵张损伤体外细胞模型是通过改变细胞形态造成细胞不同程度的伸展牵张ꎬ目的主要是为了研究TBI的生物力学效应ꎮ其中应用较为广泛的模型是通过压缩气体使夹持的圆形板变形ꎬ圆形板上贴壁的神经细胞也随之变形ꎬ根据施加的压力大小不同造成轻度㊁中度和重度损伤[27~29]ꎮ此模型的缺点:在较高的变形速率下ꎬ圆形板易造成不均匀变形ꎻ由于细胞需粘附在基材上ꎬ细胞的粘7赵清辉ꎬ等:创伤性脑损伤模型研究进展. All Rights Reserved.附性形变的验证就十分重要ꎮ另一种得到广泛应用的是采用微流体装置建立模型ꎬ通过向柔性聚二甲基硅氧烷(polydimeth ̄ylsiloxaneꎬPDMS)膜下方的气动通道施加气体压力ꎬ造成PDMS膜形变进而引起轴突拉伸损伤[30]ꎮ采用微流体装置模型的优势是可以检测损伤对神经细胞特定部分的影响ꎬ即可对神经细胞特定的区域(如胞体㊁轴突)进行精确损伤ꎻ而其不足之处是需要笨重的气动装置ꎬ设备仪器较为复杂[31]ꎮ2㊀压力损伤模型2.1㊀压力操作TBI动物模型压力损伤TBI动物模型主要包括液压冲击伤(fluidpercussioninjuryꎬFPI)模型和穿透性脑损伤(penetratingballistic ̄likebraininjuryꎬPBBI)模型ꎮFPI模型是通过向颅腔内快速注入一定量的生理盐水造成脑组织的变形和移位ꎬ从而导致脑损伤ꎬ损伤程度取决于压力脉冲的强度ꎮFPI模型可以复制人类TBI后颅内出血㊁脑肿胀和渐进性灰质损害等病理生理特点ꎬ主要用于复制临床无颅骨骨折的TBI[32~37]ꎮ根据颅骨钻孔位置的不同ꎬFPI模型可以分为中央(矢状缝上)FPI模型㊁矢状窦旁(距中线<3.5mm)FPI模型和侧方(距中线>3.5mm)FPI(lateralfluidpercussionin ̄juryꎬLFPI)模型ꎮ早期的FPI模型主要是通过控制钟摆下落的高度这一单一变量来控制损伤程度ꎮ为了提高可重复性ꎬKabadi等[38]开发了一种微处理器控制的气动装置ꎬ采用这种新型设备ꎬ冲击压力和停留时间均可得到精确控制以减少试验之间的差异ꎮLFPI模型产生的认知功能障碍㊁神经行为障碍等是临床上TBI患者常见的症状ꎮ但是由于造成脑干损伤ꎬ呼吸暂停时间延长ꎬFPI模型与其他模型相比具有较高的致死率ꎮ因此ꎬ大鼠LFPI模型中开颅手术部位的选择确定对损伤程度至关重要ꎬ建模时要精确控制开颅手术的位置ꎬ以提高模型的可靠性和重复性ꎮ另一种模拟颅内压升高的模型是PBBI模型ꎬ其由高能量弹头和冲击波造成ꎬ这种冲击波在大脑中产生了数倍于弹丸本身尺寸的临时腔ꎬ而其损伤程度取决于弹射的路径和能量转移的程度ꎮ目前ꎬ已开发出多种新的PBBI啮齿动物模型ꎮDavis等[39]将PBBI探针经由骨窗进入大脑右半球ꎬ进针深度为1.2cmꎬ由计算机程序控制ꎬ向探针内充水ꎬ使探针弹性头膨胀ꎬ产生1个椭圆形的水球ꎬ体积等于大脑体积的10%ꎬ球囊放水后ꎬ探头缩回ꎬ从而建立PBBI模型ꎮ大鼠PBBI模型会造成白质和灰质损伤㊁脑水肿㊁癫痫㊁皮层扩散㊁神经胶质细胞增生㊁神经炎症等ꎬ还会体现出由此造成的感觉障碍以及认知功能障碍的症状ꎮ与其他TBI模型相比ꎬ由于PBBI模型损伤的渗透性及其形成的暂时性腔ꎬ其在整个原发病灶中会引起广泛的脑内出血[11ꎬ40]ꎮ正是PBBI模型所具有的特点ꎬ使其对研究中度或重度颅脑损伤的机制具有重要意义ꎮ2.2㊀压力损伤TBI细胞模型压力损伤TBI细胞模型包括加压损伤(com ̄pressioninjury)神经细胞模型和负压引流损伤(vacuumassistedinjury)神经细胞模型ꎮ加压损伤神经细胞模型即通过向体外培养的细胞施加一定的压力从而造成细胞损伤ꎬ主要用于复制闭合性脑损伤或FPI模型ꎮ但为了获得细胞反应ꎬ增加的压力需远超过TBI期间发生的水平ꎮ在培养基产生的静水压力条件下ꎬ脑部变形可能非常小ꎬ因为脑组织几乎是不可压缩的ꎬ因此ꎬ需要更高的压力(15个大气压左右)才能造成损伤ꎮ陈翰博[41]将星形胶质细胞的培养盒与加压器连接并密封ꎬ注入氮氧混合气体ꎬ分别给予不同大小的压力ꎬ结果显示加压后细胞体积增大㊁水肿明显ꎬ且随着压力的增加ꎬ水肿更为明显ꎮ加压损伤模型与TBI后临床病理生理相似ꎬ且方法简单㊁条件易于控制ꎬ可通过调整压力值来控制损伤程度ꎬ主要用于中枢神经系统(centralnervoussys ̄temꎬCNS)中神经细胞机械性损伤的研究ꎬ也适用于TBI后各神经细胞继发性损伤的研究[42~44]ꎮ负压引流损伤神经细胞模型是通过使用微流控装置和实验室真空来损伤轴突ꎮ一旦轴突生长至相邻隔室ꎬ采用巴斯德吸管在第二隔室入口真空抽吸ꎬ在第二隔室产生一个气泡ꎬ此气泡会对第二隔室的轴突产生剪切力ꎬ造成轴突损伤ꎮ因此ꎬ该装置会导致轴突损伤且不影响胞体ꎬ这种损伤方法随后被用于筛选潜在的轴突再生的治疗ꎮ基于微流体和真空的损伤机制也可用于模拟和表征急性轴索变性(acuteaxonaldegenerationꎬ8生物技术进展CurrentBiotechnology. All Rights Reserved.AAD)[31]ꎮZhou等[45]使用微流体真空吸入损伤模型来研究损伤后观察到的成熟轴突再生减少的途径ꎮ在成熟轴突中ꎬ线粒体锚定蛋白(mitochon ̄dria ̄anchoringproteinsyntaphilin)SNPH阻碍线粒体运输ꎬ从而在损伤部位产生能量缺陷ꎮ通过敲除SNPH基因增强线粒体运输ꎬ通过增加线粒体转运和维持受损轴突的ATP供应促进了损伤后的轴突再生ꎮ因此ꎬ真空吸入损伤模型可以表征线粒体运输以及受损轴突的能量供应ꎬ并且能够为轴突再生提供新的治疗策略[31]ꎮ此模型的不足之处在于需要互相连接的隔室之间的高流体阻力以限制对特定神经元区域的伤害ꎮ该阻力通常由微流体装置中的微槽提供ꎬ因此ꎬ必须仔细调整真空的持续时间和强度以减少对非特定区域的损害ꎮ3㊀爆炸伤模型颅脑爆炸伤主要指的是由爆炸冲击波和投射物造成的颅脑损伤(blast ̄inducedtraumaticbraininjuryꎬbTBI)ꎬ是现代战争中的主要伤型ꎮ国内外学者针对bTBI建立了各种各样的模型ꎬ其中常用的有自由场爆炸模型㊁爆炸管模型㊁小型爆炸源模型㊁以及高级爆炸模拟器(advancedblastsimulatorꎬABS)模型[46~49]ꎮABS模型无需使用炸药ꎬ而是以压缩气体作为动力ꎮ其结构为一圆柱形管ꎬ中间采用一种特殊材质的薄膜将圆柱形管分割为2个室ꎬ分别为加压区和测试区ꎬ当加压区气压上升到一定程度击破隔膜所产生的冲击波ꎬ会对放置于测试区的动物头部造成损伤ꎮRodriguez等[49]采用的激波管待测区长度为2m㊁加压区长度为2.54m㊁隔膜厚度为0.4mmꎬ将大鼠头部放于激波管待测区ꎬ通过将空气加压至1230kPa左右冲破隔膜产生冲击波ꎬ造成大鼠头部损伤ꎬ从而建立bTBI动物模型ꎮABS模型是目前bTBI研究领域中应用最多的模型ꎬ其优点主要是安全性高㊁可在室内操作ꎬ从而降低了外界的干扰ꎻ且可通过调节隔膜的材料ꎬ产生不同大小的冲击波[36ꎬ50~52]ꎮ但需要注意的是ꎬABS模型也有其自身的重要缺点:①气体驱动冲击波的物理特性可能不同于爆炸冲击波ꎻ②隔膜碎片可能对受试对象产生影响ꎻ③管出口附近产生的射流效应可能对受试对象产生影响[46]ꎮ同样的ꎬ将培养的神经细胞以及脑组织切片放在激波管待测区ꎬ则可建立bTBI体外模型ꎮCampos ̄Pires等[53]将小鼠海马脑片细胞面向激波管ꎬ分别采用不同冲击压力来建立创伤模型ꎬ并利用碘化丙啶(propidiumiodideꎬPI)染色法检测细胞死亡水平ꎮ结果表明ꎬ爆炸伤的损伤程度随冲击压峰值和冲击波的增加而增加ꎬ且冲击波诱导的细胞死亡方式主要是细胞凋亡ꎮ4㊀反复性轻度损伤模型反复性轻度创伤性脑损伤(repeatedmildtraumaticbraininjury)模型通常发生在需接触的运动(拳击㊁篮球㊁足球㊁橄榄球)及家暴等情况中[11ꎬ54]ꎮ越来越多的证据表明ꎬ反复脑震荡会导致行为异常和病理改变ꎮ目前已建立了多种反复性轻度创伤性脑损伤模型ꎬ如CCI模型㊁WD模型㊁FPI模型㊁Blast ̄TBI模型㊁cellstretchinjury模型[37ꎬ55~58]ꎮ研究表明ꎬ短时间内反复轻度TBI可以造成弥漫性轴索损伤和慢性神经炎ꎬ而这些病理生理现象与阿尔兹海默病㊁帕金森综合症等神经退行性疾病密切相关ꎮ由于轻度脑损伤往往被人们忽略ꎬ但反复性轻度创伤性脑损伤可能是灾难性或致命性的ꎬ因此ꎬ反复性轻度创伤性脑损伤模型对TBI后神经退行性疾病的研究具有重要意义ꎮ综上所述ꎬTBI模型的建立为研究相关发病机制㊁开发有效治疗方案奠定了基础ꎮ现将各模型的特点做一总结ꎬ具体见表1ꎮ5㊀展望尽管利用TBI模型开展脑损伤研究已取得了一定进展ꎬ但仍存在一些难以克服的不足ꎮ常用的TBI模型动物(特别是啮齿类动物)的大脑与人脑在生理学上存在一定程度的相似性ꎬ但在脑结构和功能方面仍存在显著差异ꎬ如在脑几何形状㊁颅角度㊁回旋复杂性㊁灰质与白质灰分比例等方面均存在差异ꎬ这对TBI模型的建立会产生不良影响[11ꎬ33]ꎮ许多TBI模型的研究并未严格测量TBI前后的生理变量ꎬ包括CO2分压㊁O2分压㊁pH㊁血压和脑温等ꎬ而这些变量在确定机体对损伤和治疗的病理生理反应中非常重要ꎮ此外ꎬ年9赵清辉ꎬ等:创伤性脑损伤模型研究进展. All Rights Reserved.表1㊀常用TBI动物模型及细胞模型的特点Table1㊀Characteristicsofcommon ̄usedTBIanimalandcellmodels.类别致伤类型局限性优势机械损伤动物模型细胞模型FeeneyWD[11ꎬ14~18ꎬ59]脑皮质挫伤ꎬ脑震荡需开骨窗ꎬ致死率高方法简单ꎬ条件易控MarmarouWD[10ꎬ11ꎬ13]弥漫性损伤ꎬ轴索损伤致死率高方法简单ꎬ条件易控CCI[19~23ꎬ37ꎬ55]脑皮质缺失ꎬ脑震荡设备昂贵㊁需开骨窗重复性好ꎬ致伤准确牵张损伤体外细胞模型[24~26]轴索损伤以及穿刺伤需标准化不需特殊设备仪器条件机械横断体外细胞模型[28~31ꎬ60ꎬ61]神经细胞的轴索损伤仪器复杂㊁设备昂贵细胞特定区域精确损伤压力损伤动物模型细胞模型FPI[32~38ꎬ57]颅内出血以及脑肿胀致伤机制与临床不同重复性好㊁稳定性高PBBI[11ꎬ39ꎬ40]颅内出血及颅内压升高需标准化以及特殊设备致伤与临床类似加压损伤精神细胞模型[41ꎬ43ꎬ44]复制颅内压升高需控压装置方法简单ꎬ条件易控负压引流损伤神经细胞模型[31ꎬ45]神经细胞的轴索损伤压力控制需精细化致伤准确ꎬ方法简单爆炸伤blast ̄TBI[46~51]爆炸冲击波损伤特殊设备ꎬ射流效应致伤与战创伤类似ABS[52ꎬ53]爆炸冲击波损伤隔膜碎片影响可室内操作ꎬ安全性高重复性轻度损伤[37ꎬ55~58]弥漫性脑损伤需标准化致伤与临床类似龄㊁性别㊁物种对TBI结果也会产生影响[2ꎬ4ꎬ5ꎬ62~64]ꎬ需多加研究ꎮ而TBI体外模型的局限性主要表现在组织细胞可能在离体后产生有害的应激反应ꎻ其次ꎬ组织细胞在取材的过程中已经受到损伤ꎬ这在一定程度上可能对组织的实验性损伤产生影响ꎮTBI体外模型需要重点解决的问题是减少细胞外环境(如血液㊁活化的巨噬细胞等)对神经细胞的影响ꎬ以及降低组织细胞在取材过程中造成的损伤[60ꎬ65ꎬ66]ꎮ有时ꎬ基于体内模型与体外模型的研究会产生相互矛盾的结果ꎬ但这并不意味着体外模型检测结果不准确ꎬ可能与环境(如炎症反应㊁温度调节㊁氧合和局部离子浓度)的差异有密切关系[11ꎬ47ꎬ59ꎬ61ꎬ65ꎬ67]ꎮ利用2种TBI模型进行研究各有利弊ꎬ因此ꎬ在研究一种新的治疗手段或药物时ꎬ应联合应用不同类型的TBI体内㊁体外模型ꎬ以模拟在损伤期间引起的不同病理生物学反应ꎬ采用这种交叉验证的方式ꎬ可使实验结果更为真实㊁可靠ꎬ减少假阳性结果的产生ꎮ参㊀考㊀文㊀献[1]㊀RuffRLꎬRiechersRG.Effectivetreatmentoftraumaticbraininjury:Learningfromexperience[J].J.Am.Med.Assoc.ꎬ2012ꎬ308(19):2032-2033.[2]㊀HyderAAꎬWunderlichCAꎬPuvanachandraPꎬetal..Theimpactoftraumaticbraininjuries:Aglobalperspective[J].NeuroRehabilitationꎬ2007ꎬ22(5):341-353. 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补肾益精方含药血清对p一淀粉样蛋白干预血脑屏障 体外模型渗透性的影响
王丹丹史国娟于顾然 (南京中医药大学附属医院神经内科,江苏南京210029)
摘 要 目的:以A8, 干预血脑屏障大鼠脑微血管内皮细胞和星形胶质细胞共培养模型,评价补肾益精方含药血 清对该模型的渗透性的影响。方法:体外分别培养胚胎鼠脑微血管内皮细胞和星形胶质细胞,鉴定并测定跨内皮细胞电 阻,利用Transwell细胞培养池,建立内皮细胞和星形胶质细胞共培养的血脑屏障体外模型,将51a,mol/L ABl 加入大鼠 脑微血管内皮细胞和星形胶质细胞非接触式共培养血脑屏障模型。分为AI3。 模型组和At3 加补肾益精方低、中、高剂 量组.另设血脑屏障空白组,分别检测并比较各培养组荧光素钠的渗透性。结果:补肾益精方低、中剂量组荧光素钠的通 透性明显低于AI3 模型组( 0.05)。结论:补肾益精方含药血清对AB m诱导的血脑屏障渗透性增加有抑制作用。 关键词 补肾益精方舍药血清 脑血管 内皮细胞 星形胶质细胞血脑屏障 渗透性体外实验Wistar ̄L鼠 中图分类号 R241.1 文献标志码A 文章编号 1672—397X(2015)10—0072—03
阿尔兹海默病(Alzheimer’S disease,AD)是以进 行性全面认知功能损害为特征的老年变性性疾病, 细胞外老年斑及神经元纤维缠结是其病理学特征ll1。 在该病发病学说中,B一淀粉样蛋白(AB)破坏血脑 屏障功能是该病发病的重要机制『2_3l。针对该病中医 发病机理,王永炎院士提出了“毒损脑络”理论[41。基 于AD中西医发病机制,我们建立了AI3干预的血 脑屏障体外模型。探讨我们临床治疗阿尔兹海默病 常用的补肾益精方含药血清对该模型的影响_5-6]。 1实验材料 1.1 实验动物Wistar乳鼠购自上海西普尔必凯 实验动物有限公司,合格证号:2008001652684,许 可证号:SCXK(沪)2013—0016。 1.2主要试剂与耗材AB (美国sigma公司),细 胞培养瓶(美国FALCON 353014),青霉素/链霉素溶 液(Penicillin/streptomycin solution)、0.25%胰蛋白酶 (Tripsin—EDTA)、磷酸盐缓冲液(PBS)均购自中国南 京凯基生物科技发展有限公司,DMEM高糖培养基 (美国GIBCO12800-082),F12培养液(美国GIBCO 883684).胎牛血清(FBS,美国ExCell Biology FBS500).24孔细胞培养板(24 wellcell culture plate, 美国Corning Incorporated 3413),96孔细胞培养板 (96 wellcell culture plate.美国Coming Incorporated 3599),因子Ⅷ(Abcam abl1713),胶质纤维酸性蛋白 (GFAP,博士德PB0046),内皮细胞生长因子(ECGS, Sciencell 1052),荧光素钠(Sigma F6377)。 1.3主要仪器与设备超净工作台(中国苏州净化 SW—CJ一1FD),CO2培养箱(日本SANYO XD一101), 生物倒置显微镜(日本OLYMPUS IX51),台式低速 离心机(中国上海医疗器械股份有限公司医疗设备 厂,80—2),多功能酶标仪(美国MD M3),电阻仪 (美国Millipore公司)。 2实验方法 2.1 细胞培养脑微血管内皮细胞(brain capillary endothelial cells,BCECs)培养:无菌条件下取Wistar 乳鼠大脑,留皮质,将皮质剪碎后匀浆,匀浆液依次 经100目、200目筛网过滤。收集200目滤网上物 质,向其加人0.1%Ⅱ型胶原酶,37℃作用30rain后 离心(2000dmin,10min),用完全培养液[DMEM/F12 基础培养液+15%FBS+1%(v/v)ECGS+120U/mL肝 素1悬浮管底沉淀,吹打均匀后接种于预先涂有多聚 赖氨酸的塑料培养瓶中,置培养箱中培养。星形胶 质细胞(astrocytes,As)培养:无菌条件下取Wistar 乳鼠大脑。分离大脑皮质,将皮质剪碎后在0.125% 胰蛋白酶中37℃消化lOmin(期间每隔3min轻摇 晃数次),200目筛网过滤,滤过液以lO00r/min,离 心2min,管底沉淀用星形胶质细胞完全培养液 (DMEM/F12基础培养液+10%FBS)悬浮后,接种 于多聚赖氨酸包被的塑料培养瓶中。置培养箱中 培养
血脑屏障渗透模型PAMPA的构建及其条件优化FU Ying;LYU Jinpeng;LI Wenjian;DING Shumin;LIU Li;SONG Guoqiang【摘要】平行人工膜渗透模型(parallel artificial membrane permeation assay,PAMPA)主要以人工磷脂作为生物膜来模拟药物跨膜的屏障,能测定通过被动扩散途径跨过血脑屏障的药物,该模型操作简单,成本低.以实验室合成的化合物为研究对象,在MultiScreen?96-well板上铺一层牛脑磷脂的十二烷溶液作为PAMPA 模型,并通过高效液相色谱(HPLC)测定化合物的血脑屏障渗透率.实验中发现亲脂性化合物水溶性较差,需要添加助溶剂以帮助溶解,因此考察了4种助溶剂(DMSO、乙腈、乙醇、正丙醇)对化合物溶解度的影响及助溶剂含量对磷脂膜完整性的影响,最终选择了浓度为10%的正丙醇做为助溶剂来进行渗透实验,测得了各个化合物的渗透率,并筛选出了渗透率最好的化合物,为将来的药物开发提供指导.【期刊名称】《常州大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2019(031)004【总页数】7页(P86-92)【关键词】平行人工膜渗透模型;血脑屏障;助溶剂;磷脂膜;渗透率【作者】FU Ying;LYU Jinpeng;LI Wenjian;DING Shumin;LIU Li;SONG Guoqiang【作者单位】;;;;;【正文语种】中文【中图分类】TK8血脑屏障(Blood Brain Barrier,BBB)是一种保护大脑免受血液循环中有害物质的影响,并调节特定分子从血液进入中枢神经系统(central nervous system,CNS)的膜 [1-2]。
血脑屏障包括脑毛细血管内皮细胞形成的血浆与脑细胞间的屏障和脉络丛形成的血浆与脑脊液间的屏障,这些屏障能够限制物质(多半为有害物质)在血液和脑组织之间的自由交换,并对不同的物质有不同的通透性[3-4]。
·91·安徽卫生职业技术学院学报 2019年18卷第5期
◇医学基础与药学研究◇
血脑屏障体外模型的研究进展(综述)
徐 麟 胡凯莉【中图分类号】 R96 【文献标识码】 A 【文章编号】 1671-8054(2019)05-0091-04【摘 要】 血脑屏障(BBB)是位于中枢神经系统(CNS)和中枢系统环境间的一层生理保护屏障。对于治疗脑部疾病的药物来说,需要先通过BBB才能起效。BBB体外模型则是研究药物的BBB透过性或评价脑靶向纳米粒的脑部递药特性的有效工具。近年来,体外BBB模型的应用日趋广泛并在脑部疾病相关研究中发挥着重要作用。该文综述了国内外体外血脑屏障模型的发展现状及其在应用方面的最新研究进展。【关键词】 血脑屏障 体外血脑屏障模型 纳米粒 中枢神经系统
该文综述了国内外体外血脑屏障模型的发展现状及其在应用方面的最新研究进展。1 血脑屏障及其结构血脑屏障(Blood-Brain Barrier,BBB)是由脑毛细血管内皮细胞、周细胞以及星形胶质细胞足突形成的结构(见图1)[1~3]。脑微血管内皮细胞(BMECs)是内皮细胞的一种,与其他器官中内皮细胞相比,脑中的内皮细胞质厚度均匀、没有窗孔,低胞饮活性和连续的基底膜,并具有大量的线粒体数量,为酶分解化合物提供能量[4]。其能限制大部分外来物质进入脑部的同时,还通过各种选择性运输系统将营养素和其他化合物主动进出入大脑,维持正常的生理代谢功能[5]。星形胶质细胞血管腔周细胞内皮细胞紧密连接神经基膜图1 血脑屏障的结构2 体外BBB模型体外BBB模型作为现今研究神经系统疾病的主要体外模型,具有不同的结构及特征[6]。体外BBB模型能较为准确地预测出药物在体内BBB的渗透率,其中常见的主要有单细胞模型、共培养模型(接触模型、非接触模型)以及3D模型三大类。因此,本文主要介绍常见的三大类型的体外BBB模型及应用,并对各个模型优缺点进行分析。2.1 单细胞模型 体外BBB单细胞模型(见图2)指的是在Transwell膜上培养单一种类的内皮细胞,常用的细胞有犬肾细胞,小鼠脑血管内皮细胞(bEnd3)以及永生化人脑内皮细胞(hCMEC/D3)等。体外BBB单层细胞模型的优点是模型简单,允许以适中的成本进行相对较高的筛选。此模型还具有细胞存活时间长、细胞间连接紧密的一系列优点。但是,由于细胞缺乏邻近细胞信号传导(星形胶质细胞和周细胞)和机械刺激(如剪应力)所提供的屏障性调节刺激,容易出现细胞加速去分化、细胞间形成的紧密连接不完整、细胞黏着不规则、细胞旁扩散等缺陷。通过大量研究证明[3,7],BBB的性质主要是由大脑中的微环境决定的,而不是内皮细胞自身的性质决定,因此单层模型与体内实际情况并不一致。
图2 体外血脑屏障单细胞模型王利民等[8]通过采用大鼠脑微血管内皮细胞和星形胶质细胞分别建立了两种体外BBB单细胞模型,研究高温下基质金属蛋白酶9(MMP-9)对BBB微血管内皮细胞紧密连接蛋白(claudin-1)的影响。结果得知,高温可导致体外BBB模型claudin-1表达下降,BBB通透性增加。外源性添加MMP-9能进一步加剧该损伤,提示高温可通过MMP-9加重BBB破坏。Ping Wang等[9]采用hCMEC/D3细胞株建立体外BBB单细胞模型,研究白喉毒素的无毒突变体—交叉反应物质197(CRM197)潜在的作用和机制。结果表明,CRM197表现出更倾向于顶端的细胞转移,而不是基底的细胞转移,这涉及到细胞穴样内陷介导的内吞途径。Caveolin-1的上调和磷酸化-FOXO1A转录因子的下调可能是由CRM197通过PI3K/Akt依赖
作者单位:上海中医药大学 上海 201203 通信作者:胡凯莉,女,教授2019-07-09收稿,2019-08-27修回医学基础与药学研究·92·通路介导导致的,以上研究结果表明,载体蛋白CRM197介导的跨BBB传递参与了FoxO1a转录活性的诱导和Caveolin-1表达的上调。2.2 共培养模型 由于单独培养的脑微血管内皮细胞会逐渐丧失血脑屏障特性,因此开发了共培养模型。共培养模型是指,采用两种或两种以上细胞共同培养来构建体外BBB模型,目前较多为二元共培养模型和三元共培养模型。共培养模型的优点是适用范围广泛,是研究神经退行性疾病的损伤机制、渗透率、细胞间相互作用等的理想模型。但是它不提供对于内皮极化和紧密连接至关重要的剪切力,从而导致模型缺乏BBB的特征以及其内皮渗透性高于生理渗透率。刘潜等[10]通过建立接触型和非接触型体外BBB共培养模型,研究了帕金森病(PD)细胞旁路开放对FLZ体外跨血脑屏障模型转运特性的影响,其中FLZ是是全合成的新型番荔枝酰胺(squamosamide)衍生物。得出结论,生理和PD病理状态下影响FLZ透过BBB的主要因素还是由BBB中P-gp介导的外排。为了模拟星形细胞对血脑屏障内皮细胞的影响,建立了不同的实验系统,其中根据细胞在插板中的位置分为接触型和非接触型。2.2.1 接触型 接触型共培养模型是将一种细胞(如内皮细胞)接种于插板内侧,另一种细胞(如星形胶质细胞)接种于插板底部进行共培养的模型(见图3)。虽然这种排列允许内皮细胞和星形胶质细胞直接接触,然而与体内相比,人工膜相对较厚,因此限制了细胞与细胞的相互作用。图3 接触型共培养模型Guang-Yun Wang等[11]通过建立了星形胶质细胞(AC)与人脐静脉内皮细胞(ECV304)共培养的接触型体外BBB共培养模型,研究麝香酮是否能够通过调节P-糖蛋白(P-gp)和基质金属蛋白酶-9(MMP-9)的表达来改变血脑屏障的通透性。结果表明,在BBB模型中加入麝香酮(8 IM)前后,TEER值无显著性差异;用麝香酮(4 IM、8 IM、16 IM)处理24 h后,P-gp表达显著下降;在糖氧剥夺状态下,不同浓度的麝香酮组中P-gp和MMP-9的表达均有不同程度的降低。结果表明,麝香酮可以渗透到BBB模型中,并与P-gp的抑制和MMP-9的表达有关。该研究结果对了解麝香酮在BBB中的作用机制以及对治疗脑血管疾病具有重要意义。2.2.2 非接触型 非接触型体外BBB模型是将一种细胞(如内皮细胞)种在transwell上,另一种细胞(如星形胶质细胞)种在培养皿的底部(见图4)。张乐裕等[12]通过建立Aβ1-42诱导的小鼠脑微血管内皮细胞bEnd.3和原代大鼠星形胶质细胞As非接触式共培养BBB模型,探究黄芪甲苷对纤维状Aβ1-42诱导的体外BBB模型损伤的影响及其可能机制。MTT结果显示,与模型组比较,黄芪甲苷低、高剂量组均能显著提高bEnd.3细胞活性(P<0.001),且保护作用与黄芪甲苷对的浓度呈正相关;荧光素钠通透性实验结果显示,与模型组相比较,黄芪甲苷预处理可显著降低BBB的通透性(P<0.001)。Western blotting 结果显示,与模型组比较,黄芪甲苷预处理后,cleaved Caspase-3/Caspase-3显著降低,ZO-1、Claudin-5、Occludin 蛋白的表达水平显著增加(P<0.001)。由此得出结论,黄芪甲苷可能是通过抑制Aβ1-42诱导的脑微血管内皮细胞 bEnd.3 的凋亡及增加其连接蛋白表达而发挥 BBB 保护作用。
图4 非接触型模型2.3 新型体外血脑屏障模型—3D模型 3D NVU装置主要采用玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行制备,该模型常见的细胞为bEnd.3、C8D1A,该装置可进行3D细胞培养并提供5 dyn/cm2左右的剪切应力。该装置的优点是可以进行3D细胞培养、和细胞共培养,提供剪切应力,同时可以进行细胞的实时显微观察,但其依然存在无法实时监测转移上皮电阻值(TEER)值等问题[13]。Alcendor DJ等[14]采用NVU芯片来制备体外3D BBB模型,NVU芯片由神经模块(神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞)和血管模块(BMECs)组成,两个模块分别细胞培养完成后再组装在一起,通过该装置研究神经血管间的相互作用。相关研究表明[15],在装置中加入肿瘤坏死因子α(TNF-α),可使葡萄聚糖的通透性增加2倍,说明NVU芯片形成的体外3D BBB模型具备正常的功能。另外在血管模块中添加TNF-α,也可促进神经模块中小胶质细胞形态的变化并显著增强胶质纤维酸性蛋白的表达,表明神经与血管间存在信息交换,表明该装置在中枢神经系统相关药物·93·安徽卫生职业技术学院学报 2019年18卷第5期
筛选应用中具有一定的优势。3D BBB模型[16]主要采用PDMS进行制备,其常用的细胞类型是hCMEC/D3和人星形胶质细胞,该模型可进行3D细胞培养并提供0.7 dyn/cm2左右的剪切力,该模型可用于药物筛选,研究剪切应力、血管周期性收缩对BBB的物质运输以及内皮细胞功能的影响等。该模型的优点是能够实现3D细胞的培养、细胞共培养,提供剪切应力和周期性收缩等力学变化。但是该模型在TEER的实时监测和药物高通量筛选方面还存在一定的缺陷[17]。3 总结与展望对体外血脑屏障模型的研究,以往文献大多是使用细胞株来建立模型,且模型的功能性可靠性较差。近年来,体外血脑屏障模型包括不同的实验细胞模型,达到了很好的效果。单细胞培养模型和多细胞模型相比,二元共培养模型优于一元模型,星形胶质细胞对血脑屏障的诱导调节具有促进作用[18]。尽管各种体外血脑屏障模型的发展迅速,但是仍然具有很大的局限性,没有已被确定的理想模型。模型的选择是至关重要的,经常由具体研究目的决定。总之,创新型纳米制剂正变得越来越多,随着体外血脑屏障模型的发展,能更准确地评价纳米制剂在中枢神经系统疾病中的治疗意义。体外血脑屏障模型的应用范围广泛,并不局限于在纳米制剂中,仅仅用于评价纳米制剂的模型文献就有数百篇,体外血脑屏障模型能够有效地对CNS疾病研究以及药物的研发起到良好的推动作用。
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