由于人口老齡化，阿爾茨海默病(AD)或帕金森病等神經退行性疾病的數量也在擴大。根據世界衛生組織的數據，世界上有近10億人患有神經疾病，包括癲癇、阿爾茨海默病、腦血管意外、神經感染等….

在第三個千年之初，由于長期老齡化，神經發育障礙日益嚴重，有必要對大腦有更深入的了解。

Rita Levi-Montalcini，1986年諾貝爾醫學獎

我們越來越需要一種體外模型來評估治療藥物對大腦的神經毒性，并通過分析腦區的功能和相互作用來研究神經疾病。事實上，小鼠或大鼠大腦的活體模型已經得到了廣泛的應用，但都是有限的。馬歇爾和羅威爾觀察到，動物試驗方法不足以正確預測藥物療效并挑選出替代方法的優點。此外，神經元的可塑性是大腦復雜性的主要原因之一，用現有的傳統體外模型很難再現。帕米斯和艾爾聲稱微生理系統提供了對大腦生理和功能的三維(3D)模擬的可能性。一種高效的腦芯片可以通過對大腦的一小部分進行建模，如Griep和al在2013年所做的那樣，幫助發展對中樞神經系統的全球理解。Dauth等人對不同大腦區域之間的相互作用進行了建模。

與大腦微流控芯片概念相關的挑戰

重現大腦的復雜性
由于神經元的可塑性和細胞間的相互作用，對人腦的復雜性進行建模是一個巨大的挑戰。不同類型的細胞在大腦中相互作用：神經元、少突膠質細胞、星形膠質細胞和小膠質細胞注意到Pamies等人。他們觀察到，星形膠質細胞和神經元需要以3D方式相互作用，以適當地改善突觸連接，并涉及更好的細胞成熟。2D共培養進行了測試，提供了比正常培養神經元更好的結果，但沒有給予足夠的自由來構建有趣的神經元網絡，一個星形膠質細胞與幾個神經元結合。結合不同類型的細胞是一部分，但Dauth等人還要注意多區域體外模型的缺乏。他們提出了一種基于大腦主要通過不同區域之間的通信來活動的觀察結果的多區域腦芯片。事實上，大腦區域表達的神經元具有不同的電化學性質，即不同的動作電位閾值，不同的蛋白質水平等…

圖1：突觸示意圖，顯示神經元和有髓軸突的內部

腦血管界面的建模

腦模型的另一個關鍵點是血腦屏障(BBB)，它對于評估腦毒性是極其重要的。這種生化膜結構是大腦特有的。它由內皮細胞組成，緊密連接，將血液和中樞神經系統的細胞外液分開。帕米斯和艾爾準確地說，神經元離毛細血管的距離大多在8-20μm以內。水、O2、CO2、荷爾蒙等小分子可以被動地進入大腦，葡萄糖或氨基酸等其他基本分子可以通過主動運輸通過屏障。
根據研究人員的說法，大腦的血液流動對大腦的發育和功能起著作用。血腦屏障的故障可以部分導致神經退行性疾病。內皮屏障的半通透性是維持腦內平衡所必需的，不允許神經毒性分子進入，然而，許多治療藥物也被阻止。一個可靠的血液和腦間質液界面模型似乎有助于研究這些神經疾病，評估藥物的交叉和效果。體外模型對于低成本的大規模研究很有興趣，但很少是動態的。格里普和艾爾。展示了基于人體細胞的血腦屏障3D-微流體模型通過添加剪應力來包括血流運動的可能性。這種BBB芯片只持續七天，但顯示出開發神經疾病模型的潛力。
Park和al在微流控腦芯片上模擬了大腦環境，并模擬了間質流體流動。他們使用他們的微芯片來模擬阿爾茨海默病(AD)中由淀粉樣β蛋白引起的神經退化。為了更好地了解片上腦技術及其潛在的應用，將對該模型進行更詳細的描述。

基于芯片器官技術的阿爾茨海默病模型的技術特征

本節和下一節將介紹最近開發的用于阿爾茨海默氏癥研究的大腦芯片，由Park.J.和al共同開發。其目的是開發一種更接近于體內觀察到的大腦環境的設備，具有相應的3D細胞結構。因此，他們將他們的芯片建立在三維神經球體上，正如在大腦間質空間中觀察到的那樣，這些球體受到持續流動的液體的影響。為了形成大小均勻的均勻神經球體，他們使用了帶有凹面微孔的芯片。在Park等人開發的滲透微泵系統的幫助下，介質的連續流動被提供。該芯片采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作而成，由頂部腔體和底部50個圓柱孔組成。這些神經元是從大鼠胚胎大腦皮層分離的原代皮質神經元。在建立了一個模擬正常大腦的微流控芯片后，Park等人說將調整他們的大腦芯片來模擬AD的大腦。

圖2：大腦芯片設備的原理圖。該裝置連接到提供間隙流動的滲透微泵。該芯片是基于3D神經球體的。淀粉樣蛋白-β被添加到阿爾茨海默病模型中。

淀粉樣蛋白-β是一種多肽，被發現與阿爾茨海默病有關，是患者大腦中淀粉樣斑塊中的主要成分。為了正確研究阿爾茨海默病，他們分成了四組，在不同的培養條件下：第一組對應于對照組，神經球體沒有流動，第二組對應于相同的條件，但添加了淀粉樣蛋白β，最后第三組和第四組分別是有流動的神經球體培養，沒有和添加淀粉樣蛋白β。根據所在組的不同，細胞在“正常”神經基礎培養液(Gibco)中培養10天或7天，然后在含有淀粉樣蛋白-β的培養液中培養3天。

圖3：模擬正常大腦的微流控芯片(A)和模擬阿爾茨海默病大腦的微流控芯片(B)的示意圖。(A)在正常條件下，在氧氣和營養條件下培養神經球體10天。(B)在阿爾茨海默病的情況下，細胞在氧氣和營養物質的作用下只培養7天，然后在含有淀粉樣蛋白-β的培養液中培養3天。

微流控大腦芯片取得的成果

血流對神經球的影響
為了確定持續向細胞添加營養物質、細胞因子和氧氣的不同后果，他們比較了靜態組和非靜態組。第一個明顯的區別是全球規模。第0天，兩組神經球體平均大小相同。10天后，他們做了同樣的測量，發現連續流動培養的神經球體增加(有一個模式：細胞朝著出口變小)，而其他細胞保持不變。兩組之間的第二個差異似乎是由間質流動直接導致的，即芯片上形成網絡的模式。事實上，神經球體中神經突起的伸展程度更大，這直接意味著神經網絡的形成更強健。突觸蛋白IIa的免疫染色證實了這一點，突觸蛋白屬于突觸蛋白家族，參與突觸神經遞質的釋放。在動態模型中，這種突觸標記的強度要高得多，這意味著持續的流動也促進了突觸的形成。事實上，使用另外兩個標記：B-III微管蛋白作為神經元標記和Nestin作為神經干細胞標記，表明在持續的血流下，神經前體細胞向神經元的分化被促進。Parks和al注意到，間質流動是將營養物質、細胞因子和氧氣輸送到細胞中，從而參與突觸網絡形成所必需的。

圖4：神經網絡在靜態組和動態組中的形成。(a和c)神經網絡形成的掃描電子顯微鏡圖像，神經突起用白色表示。(b和d)神經網絡形成的光學圖像，神經突起用白色表示。(e和f)通過測量每個微孔切片中神經突起的平均數量和神經球體的平均大小來分析神經網絡的形成。

淀粉樣蛋白-B的作用
在一半的培養物中加入淀粉樣蛋白B，使他們能夠研究這些蛋白質如何影響神經球體。他們使用硫黃素S對神經球進行染色，并研究淀粉樣蛋白B的存在和分布。首先，他們觀察到，在動態血流模型中，神經球體中殘留的淀粉樣蛋白B的數量更多。在對死亡細胞進行量化后，正如預期的那樣，他們顯示，含有淀粉樣蛋白B的培養物活細胞較少，這與這種蛋白的神經毒性和凋亡作用相對應。他們報告說，突觸素、微管蛋白和巢蛋白水平較低，這也與神經網絡的破壞有關。

所描述的阿爾茨海默病模型的結論

通過對Parks&al的不同培養案例的比較，一些有用的信息出來了。首先，3D細胞架構在大腦微環境的再現方面提供了良好的結果。增加間質液體流動的結果有助于這種芯片上腦作為藥物篩選和細胞毒性測試工具的潛力，因為它有助于實現更強大的神經元形成，加速神經前體細胞向成熟神經元的分化。這可能是由于營養物質和富含氧氣的新鮮介質的持續供應，以及代謝廢物的流動所致。
關于淀粉樣蛋白-B測試，不同的觀察結果使Park和al.。以確定該蛋白的神經毒性和凋亡作用，從而進一步誘導突觸功能障礙。由于這種蛋白質被認為是導致阿爾茨海默氏癥的原因，淀粉樣蛋白B對3D微培養的影響為建立快速、低成本的神經退化模型打開了可能性。在靜態條件下，Park和al觀察到淀粉樣蛋白-B的作用更顯著，與流動條件下的擴散相比，一致的是僅通過簡單的擴散進入神經球體。然而，你會認為在間質血流的情況下淀粉樣蛋白B會被移除。這并不是處于興趣使然的研究，因為在沒有新鮮介質供應的情況下，淀粉樣蛋白B的供應是持續的。

更多有關于大腦芯片的應用場景

在器官芯片技術中，再循環是一個常見的問題，特別是當幾個器官組合在一起創建一個多器官芯片時，也能被稱為芯片上的人類模型。對于毒性測試和藥理學研究來說，這一點很重要，但在允許相互作用的同時混合不同的細胞培養物，是非常具有挑戰性的。事實上，正如Rogal等人注意到的那樣，毒性不足以僅限于一個器官，它主要通過多個器官途徑發揮作用。。對于大腦與其他器官相關的3D培養，BBB前面所描述的才是重點。然而，如果將BBB-on-Chip模型應用于人類神經細胞，則會更好。IPSCs細胞具有產生人類神經元的驚人潛力，但正如Dauth和al所解釋的那樣。還不能區分特定的大腦區域。這些神經元屬性(細胞組成、蛋白質表達、新陳代謝等)跨大腦區域的差異需要在下一版本的設備中進行研究。