基于千兆赫茲聲流體，實(shí)現(xiàn)血腦屏障可控調(diào)節(jié)

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，這對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和治療是一個很大的限制。本文報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血腦屏障的力學(xué)調(diào)節(jié)提供了新的平臺，為提高跨血腦屏障的給藥效率提供了新的方法。

聲流體對血腦屏障調(diào)節(jié)的原理

當(dāng)千兆赫茲的SMR在液體環(huán)境中工作時，會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會由中心區(qū)域產(chǎn)生垂直方向的液體流動，當(dāng)?shù)竭_(dá)細(xì)胞界面時，會由于垂直方向速度的銳減產(chǎn)生橫向流動從而給細(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)聲流體的速度場二維有限元仿真，白色箭頭指示了液體流動的方向。

聲流體的可控調(diào)節(jié)

通過對SMR所引發(fā)聲流體速度場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，速度也越大（圖2）。因此，可以通過同時控制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)胞電阻測量的方法對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，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，血腦屏障完整性會明顯下降，并且功率越高時下降越明顯（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。

聲流體對血腦屏障緊密連接蛋白的調(diào)節(jié)

利用共聚焦顯微鏡對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，為突破血腦屏障對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，對照組不予任何處理。**P<0.01。表征聲場的方法。 ? 論文鏈接： https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0014861 ?

審核編輯 ：李倩