血腦屏障是大腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)所必需的結(jié)構(gòu)和功能屏障，在神經(jīng)功能的實(shí)現(xiàn)和保護(hù)大腦免受循環(huán)毒素和病原體的損害等方面發(fā)揮著重要的作用。血腦屏障結(jié)構(gòu)和功能的正常維持離不開血管內(nèi)血流所產(chǎn)生的流體力的調(diào)控。然而，極為致密的血腦屏障也嚴(yán)格限制了絕大多數(shù)藥物分子跨血腦屏障的遞送，這對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和治療是一個(gè)很大的限制。本文報(bào)道了一種基于固體裝配型薄膜體聲波諧振器（SMR）的血腦屏障可控調(diào)節(jié)和打開的方法。通過簡(jiǎn)便地調(diào)節(jié)聲學(xué)器件的輸入功率和工作距離，便可產(chǎn)生具有可調(diào)流速的聲流體來實(shí)現(xiàn)不同剪切力的加載以及分子跨血腦屏障滲透的增強(qiáng)。該工作為研究流體剪切力對(duì)血腦屏障的力學(xué)調(diào)節(jié)提供了新的平臺(tái)，為提高跨血腦屏障的給藥效率提供了新的方法。

聲流體對(duì)血腦屏障調(diào)節(jié)的原理

當(dāng)千兆赫茲的SMR在液體環(huán)境中工作時(shí)，會(huì)由于聲波的耗散引發(fā)聲流體效應(yīng)。二維有限元仿真顯示SMR會(huì)由中心區(qū)域產(chǎn)生垂直方向的液體流動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)細(xì)胞界面時(shí)，會(huì)由于垂直方向速度的銳減產(chǎn)生橫向流動(dòng)從而給細(xì)胞加載流體剪切力（圖1）。

圖1（a）SMR調(diào)節(jié)血腦屏障的原理示意圖。（b）SMR的顯微圖。（c）SMR的垂直結(jié)構(gòu)示意圖。（d）SMR在液體中引發(fā)聲流體的速度場(chǎng)二維有限元仿真，白色箭頭指示了液體流動(dòng)的方向。

聲流體的可控調(diào)節(jié)

通過對(duì)SMR所引發(fā)聲流體速度場(chǎng)的二維有限元分析發(fā)現(xiàn)，SMR表面不同距離處的聲流體速度不同，且距離越近時(shí)，速度也越大（圖2）。因此，可以通過同時(shí)控制SMR的工作距離和輸入功率來獲得不同流速大小的聲流體，從而實(shí)現(xiàn)不同大小剪切力的加載。

圖2 距離SMR分別為500μm、1000μm、1500μm處的聲流體速度的二維有限元仿真。

血腦屏障模型的構(gòu)建

利用Transwell小室在體外構(gòu)建血腦屏障模型，并利用光學(xué)觀察、跨內(nèi)皮細(xì)胞阻抗測(cè)量、分子滲透性實(shí)驗(yàn)以及特定蛋白的免疫熒光染色來追蹤血腦屏障模型的發(fā)育情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在培養(yǎng)6天后可獲得較為成熟的血腦屏障模型（圖3）。

圖3 （a）培養(yǎng)1天和5天時(shí)血腦屏障模型的熒光圖像。（b）血腦屏障模型跨內(nèi)皮細(xì)胞阻抗（TEER）測(cè)量原理示意圖。（c）培養(yǎng)1-9天中血腦屏障的TEER值統(tǒng)計(jì)。（d）培養(yǎng)1-9天中分子跨血腦屏障滲透強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)。（e）血腦屏障模型培養(yǎng)6天后ZO-1蛋白的免疫熒光圖像。比例尺=50μm。

聲流體對(duì)血腦屏障完整性的調(diào)節(jié)

利用光學(xué)觀察和跨內(nèi)皮細(xì)胞電阻測(cè)量的方法對(duì)聲流體作用后血腦屏障完整性的變化進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)較低功率的聲流體作用時(shí)，血腦屏障的完整性基本不受影響；而較高功率的聲流體作用時(shí)，血腦屏障完整性會(huì)明顯下降，并且功率越高時(shí)下降越明顯（圖4）。

圖4 （a）不同功率聲流體作用下血腦屏障模型的熒光及明場(chǎng)圖像。紅色箭頭指示了聲流體所刺激的區(qū)域。比例尺=500μm。（b）聲流體作用后血腦屏障模型的跨內(nèi)皮細(xì)胞電阻值變化。

聲流體對(duì)血腦屏障緊密連接蛋白的調(diào)節(jié)

利用共聚焦顯微鏡對(duì)血腦屏障的緊密連接蛋白ZO-1進(jìn)行三維層掃發(fā)現(xiàn)，聲流體可以通過破壞內(nèi)皮細(xì)胞之間的緊密連接蛋白使致密的血腦屏障上產(chǎn)生孔隙（圖5）。

圖5 聲流體對(duì)ZO-1蛋白的影響。紅色熒光代表ZO-1蛋白，藍(lán)色熒光代表細(xì)胞核。實(shí)驗(yàn)組（a）施加400mW聲流體刺激，對(duì)照組（b）不做任何處理。黃色箭頭指示了聲流體作用下血腦屏障上產(chǎn)生的孔隙。

聲流體對(duì)分子跨血腦屏障滲透的增強(qiáng)

通過分子滲透性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聲流體對(duì)不同分子量的葡聚糖跨血腦屏障的滲透都有明顯的增強(qiáng)作用（圖6）。至此，本文提出了一種簡(jiǎn)單易操的血腦屏障流體力調(diào)控系統(tǒng)，并借此研究了不同大小的剪切力對(duì)血腦屏障完整性的影響以及分子跨血腦屏障滲透的增強(qiáng)。該系統(tǒng)為研究流體剪切力與血腦屏障之間的關(guān)系提供了新的平臺(tái)，為突破血腦屏障對(duì)藥物遞送的阻礙提供了新的手段。

圖6 不同分子量的葡聚糖在10min內(nèi)跨血腦屏障滲透到下側(cè)腔室中的濃度。實(shí)驗(yàn)組施加了400mW聲流體的刺激，對(duì)照組不予任何處理。**P<0.01。表征聲場(chǎng)的方法。 ? 論文鏈接： https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0014861 ?

審核編輯 ：李倩