由于高度選擇性的血腦屏障，人腦微血管系統(tǒng)的結構組織能夠實現功能特異性，并確保對人類神經系統(tǒng)的保護。腦微環(huán)境調節(jié)構成腦微血管的主要細胞類型的表型：腦微血管內皮細胞、星形膠質細胞和周細胞。
血液流經微血管系統(tǒng)時所產生的持續(xù)剪切應力尤其影響細胞的形態(tài)和功能。有報道稱它可以上調一些連接蛋白、轉運蛋白、離子通道并限制腦微血管內皮的通透性。然而，其他研究表明，沒有或只有部分關鍵血腦屏障標志物顯著過度表達（例如 Claudin 5、Zonula occludens-1、Occludin、CD31、葡萄糖轉運蛋白 1 或 P-糖蛋白），盡管來自介質的機械應力確實促進了大腦微血管系統(tǒng)*的內皮細胞的分化或成熟。
培養(yǎng)和流動參數（例如施加的壓力和處理時間）的差異可以部分解釋這些不一致，特別是因為過高或擾動的剪切應力可能會逆轉其有益影響。生化信號也容易受到模型中使用的細胞類型的影響。已證明使用星形膠質細胞條件培養(yǎng)基與剪切應力對上調 Zonula occludens-1 和降低腦內皮細胞通透性具有同等重要的作用。很少有研究將星形膠質細胞、周細胞或兩者引入到流動培養(yǎng)的腦微血管模型中，盡管與靜態(tài)條件相比，它們似乎觀察到更大的差異。也很少有研究考慮到細胞外基質 (ECM) 的重要性及其與細胞培養(yǎng)流動的綜合影響。基于膠原蛋白或纖維蛋白的凝膠中的細胞自組織是一種先進的技術，可用于開發(fā)類似網絡的大腦微血管系統(tǒng)。日本大阪大學工學研究生院應用化學系、東京藥學與生命科學學院、日本國立先進工業(yè)科技研究所的研究團隊之前開發(fā)了這種在靜態(tài)條件下培養(yǎng)的大腦微血管系統(tǒng)的自組織三維（3D）體外模型。基于此，該團隊進行了進一步的研究，著重探討了機械刺激在 7 天的培養(yǎng)過程中，通過 ECM 的介質流動，對放大的人腦血管模型的形態(tài)、基因和蛋白表達的影響。
腦血管 3D 體外模型的 ECM 由 I 型膠原微纖維（CMF）和纖維蛋白組成。頂部：在靜態(tài)條件下培養(yǎng)；底部：在流動條件下培養(yǎng)
使用優(yōu)化的接種參數，培養(yǎng) 7 天后，無論是在靜態(tài)條件下還是在壓力驅動的微生理系統(tǒng)中進行培養(yǎng)（測量流速為 379 ± 37 μL min-1），細胞均自組織形成毛細管狀網絡。這在 HBEC 的 CD31 免疫染色中尤為明顯（圖 2）。與預期不同的是，微血管主要在凝膠中水平生長，垂直于流動方向。因此，不認為微血管是通過管腔灌注的，而更有可能是間質剪切流從基底側影響細胞。這種機械應力影響了血管的形成和成熟。流動培養(yǎng)似乎確實誘導了一個更明確的網絡。流動培養(yǎng)的細胞自組織成更多的管狀形狀，厚度更小，連接更少，并且在水凝膠中略深。因此，間質流動可用于調節(jié)和空間引導血管生成。
圖2 人腦內皮細胞的共聚焦圖像（紅色，CD31 免疫染色）在靜態(tài)或流動培養(yǎng) 7 天后形成網狀結構。(A) x20 放大倍率的 z-stack 投影，
(B) RapiClear 處理后的樣本，側面的 xz 和 yz 投影，
(D) 星形膠質細胞的 x60 倍的截面（綠色，用 CellTracker Green 染色）和周細胞（藍色，用 CellTracker Red 染色）。
靜態(tài)和流動條件均誘導毛細血管樣小管顯示管腔，如組織學切片所示。有趣的是，在比較靜態(tài)和流動培養(yǎng)時，未發(fā)現管腔尺寸發(fā)生顯著變化。然而，在流動下培養(yǎng)的微血管系統(tǒng)比在靜態(tài)條件下培養(yǎng)時有更高的管腔數的趨勢。
通過 RT-qPCR 分析了對血腦屏障功能至關重要的緊密連接蛋白、轉運蛋白和載體的基因表達。與靜態(tài)條件相比，流動培養(yǎng)似乎促進了這種基因表達。所有評估的基因：Claudin 5 (Cld5)、Zonula occludens-1 (ZO-1)、葡萄糖轉運蛋白1 (Glut1)、轉鐵蛋白受體 (TfR)、乳腺癌耐藥蛋白 (BCRP) 和 P-糖蛋白 (PgP)，與靜態(tài)條件下培養(yǎng)的樣品相比，在流動下進行培養(yǎng)的樣品傾向于過度表達。Glut1、TfR 和 BCRP 的增加是顯著的，但其他基因無明顯升高。
總體而言，這項研究表明，與靜態(tài)培養(yǎng)相比，連續(xù)流動培養(yǎng)7天可導致微血管網絡中內皮細胞、星形膠質細胞和周細胞的自組織，其清晰度更高。雖然管腔尺寸沒有改變，但觀察到管腔數量略有增加。同樣，緊密連接蛋白、轉運蛋白和載體的基因和蛋白質表達似乎也會因間質流動而增強。該模型顯示了血流對體外三維腦微血管模型調節(jié)的重要影響。使用來自連續(xù)流動的機械應力來引導微血管定向是可以預見的下一步研究方向。接下來的研究目標是使微血管在長期流動培養(yǎng)和可灌注下保持穩(wěn)定，從而更接近于體內條件。參考文獻：Figarol A, Piantino M, Furihata T, Satoh T, Sugiura S, Kanamori T, Matsusaki M. Interstitial flow regulates in vitro three-dimensional self-organized brain micro-vessels. Biochem Biophys Res Commun. 2020 Dec 10;533(3):600-606. doi: 10.1016/j.bbrc.2020.09.061. Epub 2020 Sep 26. PMID: 32988592.小編旨在分享、學習、交流生物科學等領域的研究進展。如有侵權或引文不當請聯系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯系小編。
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