毛細血管-小靜脈模型系統(tǒng)

美國flocel動態(tài)體外模塊化毛細血管-小靜脈模塊化系統(tǒng)（也可用作多功能血管模擬系統(tǒng)：腦血管模擬系統(tǒng)、毛細血管模擬系統(tǒng)、神經(jīng)血管模擬系統(tǒng)）

-小盒式腦血管生理學研究裝置

flocel該多功能血管模擬系統(tǒng)是一種基于涂覆蛋白中空纖維管內(nèi)外側(cè)接種細胞或直接對接人工血管、或真實血管,配套心臟脈動流泵,可用來模擬腦血管/毛細血管/神經(jīng)血管/毛細血管-小靜脈等體外血管微環(huán)境系統(tǒng)，可以長期培養(yǎng)。

毛細血管-小靜脈模型系統(tǒng)

該系統(tǒng)原理機制
計算機程控的四通道脈動流泵對3D結(jié)構的中空纖維管及其上細胞施加脈動等流(也可模擬流體剪切應力)作用，該纖維由允許蛋白質(zhì)與纖維基質(zhì)疏水結(jié)合的材料制成。被設計成涂有適當?shù)幕|(zhì)蛋白，例如纖連蛋白、膠原蛋白、明膠或其他在接種到纖維內(nèi)壁時促進內(nèi)皮細胞附著的蛋白質(zhì)。纖維的管腔中和纖維管外側(cè)可以接種不同細胞，
也可以直接在心臟脈動泵上對接人工血管和真實血管來實現(xiàn)各種血管微環(huán)境模擬?？梢赃M行長期血管微環(huán)境動態(tài)培養(yǎng)。

該系統(tǒng)體外細胞培養(yǎng)模塊包含一種*的中空纖維，該纖維由允許蛋白質(zhì)與纖維基質(zhì)疏水結(jié)合的材料制成?？墒褂?/span> 70%乙醇/水潤濕纖維以激活纖維并允許蛋白質(zhì)附著。細胞培養(yǎng)模塊的推薦應用是在慢性流動或和剪切應力條件下培養(yǎng)內(nèi)皮等細胞。它們被設計成涂有適當?shù)幕|(zhì)蛋白，例如纖連蛋白、膠原蛋白、明膠或其他在接種到纖維內(nèi)壁時促進內(nèi)皮細胞附著的蛋白質(zhì)。也可以使用標準細胞培養(yǎng)基中的 10% FBS 溶液。以這種方式附著的內(nèi)皮細胞可以承受各種水平的可重復剪切應力，以進行長達 28 天或更長時間的長期培養(yǎng)。當在這些條件下生長時，內(nèi)皮細胞的行為與在靜態(tài)培養(yǎng)中生長時非常不同。內(nèi)皮細胞將平放，形成單層并朝向培養(yǎng)基流動方向，形成緊密連接。在慢性剪切應力下培養(yǎng)內(nèi)皮細胞被認為是一個更生理的環(huán)境，更接近理想的體內(nèi)條件。

我們開發(fā)了一種使中空纖維壁透明的新方法，以便于對管腔中的細胞進行成像。

美國flocel DIV-BBB模型（上圖）

小靜脈節(jié)段（上圖）

腦血管生理學的研究對于了解神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制和藥物的藥代動力學至關重要。適當?shù)捏w外模型通常不能代表體內(nèi)生理學。為了解決這些問題，我們建議使用一種新的人工血管系統(tǒng)，該系統(tǒng)密切模仿人類腦血管系統(tǒng)的毛細血管和靜脈段，同時還允許對實驗變量及其操作進行廣泛控制。

系統(tǒng)的中空纖維內(nèi)外側(cè)可以接種細胞，配套的心臟脈動流泵以及跨膜電阻測量儀可用于體外仿真腦血管、毛血管各種血管模擬仿真等、

使用中空纖維技術，我們修改了現(xiàn)有的血腦屏障 (BBB) (DIV-毛細血管) 動態(tài)rengong模型，以涵蓋腦循環(huán)系統(tǒng)的遠端毛細血管后 (DIV-小靜脈) 段。該人工腦血管系統(tǒng)由串聯(lián)連接到小靜脈段的 BBB 模塊組成。泵產(chǎn)生脈動流，動脈壓力供給系統(tǒng)。毛細管模塊的灌注液達到與原位觀察到的水平相當?shù)?/span>剪切應力、壓力和流速。內(nèi)皮細胞暴露于流動和腔外星形膠質(zhì)細胞刺激允許形成具有與體內(nèi)相當?shù)目鐑?nèi)皮電阻（TEER；> 700 ohm cm²）和蔗糖滲透性（< 1X10-u cm/sec）的高選擇性毛細血管 BBB .試圖重現(xiàn)小靜脈血流動力學微環(huán)境特征的小靜脈模塊被介質(zhì)灌注，導致剪切應力和管腔內(nèi)壓力水平低于毛細血管中的水平。由于細胞和血流動力學因素的改變，小靜脈段的血管床比 BBB 的血管床更不嚴格（TEER <250 Ohm cm2；蔗糖 > 1X10-4 cm/sec）。外腔人腦血管平滑肌細胞用于復制小靜脈外腔細胞組成。

DIV-BBB與小靜脈節(jié)段相結(jié)合所提供的*特征將切實擴展我們剖析和研究人類腦血管網(wǎng)絡不同節(jié)段的生理和功能行為的能力。

圖 1 DIV 毛細血管模型的示意圖。 注意系統(tǒng)如何概括流變學和細胞學
相應的體內(nèi)腦血管節(jié)段的特征

確定小靜脈 (n=19) 模塊以模擬體內(nèi)相應腦血管節(jié)段的流變特性（跨壁壓力、流速和剪切應力）[23]。對于本文所示的實驗，流速在每分鐘 4.6 和 5.3 mL 之間。
請注意，當流量先通過毛細管，然后通過小靜脈段時觀察到顯著的壓力降低（參見圖 1B）。我們的數(shù)據(jù)顯示，透壁壓力和剪切應力與相應的體內(nèi)觀察結(jié)果一致（見表 1）。
此外，計算機控制的泵送機制使我們能夠重現(xiàn)廣泛的灌注場景，每個場景都以不同水平的剪切應力、腔內(nèi)壓力、搏動率為特征，以重現(xiàn)心跳/分鐘。
體外毛細血管系統(tǒng)可以模擬體內(nèi)相應血管節(jié)段的流變學特征
圖 2A 顯示了血流動力學中發(fā)生的變化
與灌注有關的毛細血管和小靜脈段的剖面（透壁壓力和剪切應力）。
請注意，灌注速率的增加決定了顯著
毛細血管段的剪切應力 (dynes/cm2) 和壁內(nèi)壓力 (mmHg) 成比例增加（圖 2A - 左圖；紅點）。表 1 顯示了體內(nèi)和體外參數(shù)之間的比較。
在小靜脈段中測量的相應剪切應力和壁內(nèi)壓力的變化明顯不那么明顯（圖2A-左面板；藍點）。請注意（參見圖 2B），將毛細管模塊的管腔輸出連接到小靜脈的管道不會影響流動的流變特性。這通過比較后毛細管段（后 CAP）與前靜脈（前 VEN）壓力值來顯示。因此，從血流動力學的角度來看，這兩個模塊表現(xiàn)為一個連續(xù)的血管系統(tǒng)，但在體內(nèi)表現(xiàn)出不同的毛細血管和毛細血管后流變特征。

表 1 并排比較體外與體內(nèi)測量的流變參數(shù)

（圖1）

圖 2 DIV 毛細管-小靜脈系統(tǒng)的流變特性。 圖 A：毛細血管和小靜脈段在灌注方面的血流動力學曲線。 面板 B：請注意，毛細管腔和小靜脈腔之間存在模塊間連接器并沒有改變流動的流變曲線。 星號“*”表示毛細血管和小靜脈之間透壁壓的統(tǒng)計學顯著差異（n=4；p<0.05）。

（圖2）

圖 3 體外毛細血管和小靜脈血管床的并排比較。面板 A：注意與小靜脈（低 TEER）相比，毛細血管系統(tǒng)如何允許形成非常嚴格的血管床（高 TEER）。 （面板 B）。另請注意，在小靜脈水平的剪切應力下建立的毛細血管段和暴露于毛細血管剪切應力水平的 enules 模塊形成了相當?shù)偷膰栏衿琳希@表明腔外星形膠質(zhì)細胞和高jian切應力水平對于發(fā)展緊密的血管床是必要的（圖 C）TEER毛細血管和小靜脈模塊中的蔗糖滲透性相關性。 sigmoid 曲線象征著 TEER 和我們之前確定的滲透率之間的理想相關性 [55]。注意毛細血管（滲透性較低）和小靜脈（滲透性*）之間的 ≈ 2 個數(shù)量級的差異。毛細管模塊中形成的更嚴格的血管床可以根據(jù)辛醇-水分配系數(shù) (XlogP) 區(qū)分藥物滲透性，其選擇性明顯高于小靜脈（圖 D）。星號“*”表示有統(tǒng)計學意義的差異（n=4；p<0.05）。

流速和剪切應力：

計算纖維管腔側(cè)剪應力的公式為：

T = (4ηQ/πR3)
其中：
T =剪切應力（達因/cm²）
η = 粘度（達因秒/cm²）
Q = 流體流速（毫升/秒/纖維）
R = 內(nèi)半徑
含有 10% FBS 的細胞培養(yǎng)基的粘度約為 0.008 dyne sec/cm，
- 流體流速必須從 ml/min 轉(zhuǎn)換為 ml/sec，

- 模塊中有 19 根纖維，因此流體流量必須除以 19，
- 光纖內(nèi)半徑為 300μm (0.03 cm)，因此 R3 = 0.000027，
- 每根纖維 1 毫升/分鐘的流速 = 0.0167 毫升/分鐘，
20 毫升/分鐘的剪切應力 = 3.95 達因/厘米

我們的技術超越Endohm細胞培養(yǎng)室和Transwell細胞培養(yǎng)產(chǎn)品，但也能與它們兼容：

系統(tǒng)組成部分及功能參數(shù)：

1、中空纖維柱、人工血管、真實血管

該纖維由允許蛋白質(zhì)與纖維基質(zhì)疏水結(jié)合的材料制成。可使用 70% 乙醇/水潤濕纖維以激活纖維并允許蛋白質(zhì)附著。它們被設計成涂有適當?shù)幕|(zhì)蛋白，例如纖連蛋白、膠原蛋白、明膠或其他在接種到纖維內(nèi)壁時促進內(nèi)皮細胞附著的蛋白質(zhì)。纖維的管腔中和纖維管外側(cè)可以接種細胞

特點：

•可控的內(nèi)腔與管腔體積比

•緊湊的尺寸(只有2.75英寸長)

•電極內(nèi)置在盤盒中。

優(yōu)勢：

•與真實體內(nèi)的體積比相當

•減少所需細胞的數(shù)量

•跨內(nèi)皮電阻（TEER）測量很容易執(zhí)行

•盤盒為一次性使用，無需重裝。

•成本低

規(guī)格（如果標準版不滿足，可定制）：

•疏水性的毛細管Accurel® PP Q3/2

•跨毛細管間孔隙: 0.2 µm

•中空纖維數(shù)量: 19根

•內(nèi)腔總內(nèi)容積: 0.0123 in3 = 0.202 cm3

•管腔的總內(nèi)表面積: 2.09 in2 = 13.5 cm2

•腔外空間的容積 (細胞外液ECS): 0.070 in3 = 1.15 cm3

•ECS中中空纖維的總面積: 3.50 in2 = 22.6 cm2

2、跨內(nèi)皮電阻測定組件（TEER Measurement System）

TEER 測量的特征

· 可同時測量多達四個模塊的阻抗和相角

· 用戶自定義頻率掃頻范圍為1hz - 5000hz，分辨率為0.1 Hz。

· 帶有自動觸發(fā)器的用于樣品間隔記錄的定時功能

· 峰值與峰值的激發(fā)電壓在5 mV - 60 mV之間，分辨率為0.1 mV

· 將測試參數(shù)、時間戳和數(shù)據(jù)自動保存到.xls或.csv文件中

· 跨內(nèi)皮電阻(TEER)測量

跨內(nèi)皮電阻（TEER）測定為血腦屏障的完整性提供了一個快速簡捷的評價模型。該動態(tài)體外血腦屏障模型有與體內(nèi)血腦屏障相近的跨內(nèi)皮電阻，可達到＞1000 Ω-cm²， 而與之相對，單層模型通常只有＜200 Ω-cm²。  

特點
 ●跨內(nèi)皮電阻測定范圍：＞1000 Ω-cm²
 ●可在多重頻率下測定阻抗 
 ●低電壓設定：大60mV 
 ●可對4個裝置進行自動多重處理 
 ●USB接口 

3、四通道脈動流泵-基于計算機程控的心臟脈動流泵

Flocel四通道灌流泵模擬心臟的脈動動作。四元泵包含四個小型、易于配置的脈動泵，能夠持續(xù)流過DIV-BBB模型。每個泵都是單獨控制的，允許進行多達四個獨立的實驗

特點:
四個濾筒的流量和泵速是獨立控制的。
外部24 VDC墻壁插入式電源
系統(tǒng)從其軟件接收程序命令
好處:
該系統(tǒng)支持四個獨立的實驗。
它將保育箱內(nèi)的熱量降至
個線性致動器的規(guī)格
泵速:0-100 BPM
流速:0.1–50毫升/分鐘，取決于客戶的規(guī)格
外部+24伏直流電源
功耗:7.5瓦
重量:5.8盎司

4、程控電腦軟件 

Flocel系統(tǒng)用尸通過系統(tǒng)自簾的DIV-BBB 軟件包進行操作， 為TEER和蠕動泵的測試參數(shù)的動態(tài)修改提供了一個直現(xiàn)的界面。TEER用戶界面顯示了原胎數(shù)據(jù)輸出、頻率、時間等參額選擇。蠕動泵的用戶界面通過允許每個獨立的泵頭選擇流速和不同的正litE）皮形，簡化了設置四個j刷刷霍j主通道的任務。

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