لإعادة تكوين بنية الحاجز الدموي الدماغي (BBB) in vivo، تم تطوير شريحة مائعية دقيقة ذات زراعة ثلاثية من خلال دمج خلايا HCMECs، وخلايا ACs الأولية، وخلايا U87-MG (والتي سميت بـ "نموذج الشريحة"). كما هو موضح في الشكل 1A،B، تم ترتيب ثلاث قنوات متوازية داخل الجهاز: القناة الوعائية (اليسرى، زرقاء)، وقناة الدماغ المملوءة بـ Matrigel (المركزية، وردية)، وقناة الورم (اليمنى، خضراء)، والتي تم استزراعها بخلايا HCMECs وACs وU87-MG على التوالي. تفصل بين القنوات مصفوفات من الركائز المجهرية التي تحافظ على حصر الـ matrigel في القسم المركزي مع السماح بالتبادل الجزيئي والخلوي بين القنوات. بعد تعقيم الجهاز، تم إدخال خلايا ACs (بتركيز 2.5 × 106 cells/mL) معلقة في Matrigel بنسبة 3:5 (v/v) إلى قناة الدماغ. وعند بلمرة Matrigel، تم استزراع خلايا HCMECs (بتركيز 2 × 106 cells/mL) في القناة الوعائية اليسرى. وبعد زراعة مشتركة لخلايا ACs وHCMECs لمدة يومين، تم إدخال خلايا U87-MG (بتركيز 2 × 106 cells/mL) في قناة الورم اليمنى لإنشاء قسم GBM. تم تأسيس نموذج الشريحة بالكامل بحلول اليوم الخامس. ثم تم تقييم سلامة الحاجز عن طريق صبغ المناعة لبروتين ZO-1 وقياسات نفاذية 40 kDa FITC-dextran. وكما هو موضح في الشكل 1C، أظهر ZO-1 توزيعاً خطياً مستمراً على طول الواجهة بين HCMEC وACs، مما يؤكد تشكل وصلات محكمة عند واجهة الحاجز الدموي الدماغي. وأظهر إعادة البناء ثلاثي الأبعاد بالمجهر البؤري إشارات ZO-1 بارزة عند واجهة القناة الوعائية والدماغية (المستوى z-y، الشكل 1D)، مما يؤكد تكوين حاجز بطاني سليم داخل الشريحة. ولتحديد وظيفة الحاجز بشكل أكبر، تم تقييم النفاذية لـ 40 kDa FITC-dextran. تم قياس النفاذية على فترات زمنية مدتها 20 دقيقة على مدار ساعة واحدة. وكما هو موضح في الشكل 1E،F، كان معامل النفاذية (3.46 ± 0.50) × 10-6 cm/s عند 60 دقيقة، وهو ما يضاهي الدورة الدموية الدقيقة في الجرذان in vivo18 والنماذج المتقدمة القائمة على الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSC)19، ويمثل تحسناً ملحوظاً عن النماذج التقليدية التي تقتصر على الخلايا البطانية فقط13. مجتمعة، أثبتت هذه البيانات الهيكلية والوظيفية النجاح في تأسيس منصة BBB-GBM ذات صلة فسيولوجية.
بما أنه قد أُبلغ عن قدرة الموجات فوق الصوتية على إحداث فتح عابر وقابل للانعكاس إلى حد كبير في الحاجز الدموي الدماغي (BBB)، مع استعادة وظيفة الحاجز عادةً في غضون 24 h20، فقد تم بعد ذلك استقصاء التأثير المباشر لتحفيز الموجات فوق الصوتية (US) على وظيفة الحاجز الدموي الدماغي في نموذج الشريحة عند الساعة 0 h أو بعد 24 h من التعرض للموجات فوق الصوتية. عُرِض نموذج الشريحة للموجات فوق الصوتية (1 W/cm2, 1MHz, 30 s). وأظهر تحليل التألق المناعي لبروتين ZO-1 شدة مماثلة عند الساعة 0 h و 24 h بعد العلاج بالموجات فوق الصوتية (الشكل 2A)، مما يشير إلى الحفاظ على سلامة الموصلات المحكمة. وأكد التحليل الكمي لتألق ZO-1 تماثل شدة الإشارة عند الواجهة الوعائية الدماغية بين المجموعة الضابطة والمجموعة المعالجة بالموجات فوق الصوتية (الشكل 2B). ولتقييم ما إذا كان التعرض للموجات فوق الصوتية قد عزز نفاذية الحاجز الدموي الدماغي، استُخدم FITC-dextran بوزن 40 kDa ككاشف للنفاذية. وكما هو موضح في الشكل 2C,D، أدى التعرض للموجات فوق الصوتية إلى تسريع انتشار الكاشف عبر الحاجز الدموي الدماغي على الفور، حيث ارتفع معامل النفاذية من 4.20 x 10-6cm/s في المجموعة غير المعالجة إلى 1.33 x 10-5cm/s. وعند الساعة 24 h بعد التعرض للموجات فوق الصوتية، انخفض معامل النفاذية إلى 8.04 x 10-6cm/s، مما يمثل تعافيًا كبيرًا مقارنة بمجموعة ما بعد التعرض الفوري للموجات فوق الصوتية، على الرغم من بقائه أعلى قليلاً من مستوى المجموعة الضابطة غير المعالجة. وتثبت هذه النتائج أن الموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة تؤدي إلى فتح عابر للحاجز الدموي الدماغي يليه تعافٍ كبير في وظيفة الحاجز مع الحفاظ على السلامة الهيكلية في نموذج الشريحة.
تم بعد ذلك تقييم نفاذية المذيلات النانوية SFN@RB@SPM عبر الحاجز الدموي الدماغي (BBB) تحت تحفيز الموجات فوق الصوتية (US). في دراستنا السابقة، تبين أن هذه المذيلات النانوية ذاتية التجميع تعبر الحاجز الدموي الدماغي بفعالية وتتراكم في موقع الورم في نموذج فأر مصاب بورم دبقي مزروع17. ولفحص ما إذا كان تعديل الموجات فوق الصوتية يعزز نقل SFN@RB@SPM في نموذج الرقاقة هذا، طبقنا نفس معاملات الموجات فوق الصوتية الموضحة في الشكل 2C. وقد أدى التعرض للموجات فوق الصوتية إلى تسريع انتقال SFN@RB@SPM بشكل ملحوظ عبر الحاجز الدموي الدماغي، مما رفع معامل النفاذية من (2.42 ± 0.15) × 10-5 cm/s إلى (4.58 ± 0.07) × 10-5 cm/s بعد 60 دقيقة من العلاج، وهو ما يمثل زيادة بمقدار 1.9 ضعف مقارنة بمجموعة الضبط (الشكل 3A،B). وللتحقق من استهداف الورم النشط، تم قياس إشارة الفلورة الحمراء لـ RB في قناة الورم الدبقي بعد حقن المذيلات النانوية في القناة الوعائية. وكما هو موضح في الشكل 3C، لوحظت زيادة ملحوظة في الفلورة الحمراء في قناة الورم الدبقي بعد 3 ساعات من التعرض للموجات فوق الصوتية، مما يشير إلى تعزيز نقل المذيلات النانوية عبر الحاجز الدموي الدماغي. وفي حالة عدم وجود الموجات فوق الصوتية، تم رصد فلورة ضئيلة فقط، مما يؤكد أن اختراق الحاجز الدموي الدماغي ضروري لوصول SFN@RB@SPM وتركيزها داخل موقع الورم.

الشكل 1: تصنيع وتوصيف نموذج BBB-GBM على شريحة. (A) مخطط للجهاز المائعي المجهري ثلاثي القنوات: القناة الوعائية (باللون الأزرق)، وقناة الدماغ (باللون الوردي)، وقناة الورم (باللون الأخضر). (B) صورة للشريحة المجمعة من PDMS والزجاج. (C) صبغ مناعي لبروتين ZO-1 (باللون الأحمر) عند الوصلات البطانية، مع صبغ نووي مضاد بـ DAPI (باللون الأزرق). شريط القياس: 50 µm. (D) مناظر بؤرية متعامدة (x-z و y-z) توضح تركيز ZO-1 (باللون الأحمر) عند الواجهة الوعائية الدماغية. (E) صور ممثلة بفاصل زمني لانتشار 40 kDa FITC-dextran من القناة الوعائية إلى قناة الدماغ على مدار 60 min (بفواصل زمنية قدرها 20 min). شريط القياس: 200 µm. (F) معاملات النفاذية المحددة كمياً، والتي تؤكد وظيفة الحاجز الانتقائي حسب الحجم. تمثل البيانات المتوسط ± SEM من ثلاث شرائح مستقلة (n = 3). تم تحديد الدلالة الإحصائية باستخدام تحليل التباين أحادي الاتجاه (ANOVA)، متبوعاً باختبار Tukey للمقارنات المتعددة. تظهر قيمة p الدقيقة في الشكل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: فتح الحاجز الدموي الدماغي (BBB) والتعافي اللاحق لوظيفة الحاجز الناجم عن الموجات فوق الصوتية. (A) صبغ مناعي لبروتين ZO-1 عند الواجهة الوعائية الدماغية فوراً (0 h) وبعد 24 h من المعالجة بالموجات فوق الصوتية. تظهر الصور عمليات إعادة بناء بؤرية ثلاثية الأبعاد (3-D confocal reconstructions). (B) كثافة الفلورة المعيارية لـ ZO-1 على طول المحور z (العمق) عند الواجهة الوعائية الدماغية في المجموعة الضابطة والمجموعة المعالجة بالموجات فوق الصوتية (US). (C) حركية انتشار 40 kDa FITC-dextran من المقصورات الوعائية إلى الدماغ عند 0 h و 24 h، مع أو بدون التعرض للموجات فوق الصوتية (تم التقاط الصور بفواصل زمنية قدرها 20-min على مدى 60 min). شريط المقياس: 200 µm. (D) معامل النفاذية المكمم للمقتفي 40 kDa عند 0 h أو 24 h بعد الموجات فوق الصوتية، مع أو بدون المعالجة بالموجات فوق الصوتية. تمثل البيانات المتوسط ± SEM من ثلاث شرائح مستقلة (n = 3). تم تحديد الدلالة الإحصائية باستخدام تحليل التباين ثنائي الاتجاه (two-way ANOVA)، متبوعاً باختبار Tukey post hoc للمقارنات المتعددة. الدلالة الإحصائية: p < 0.0001. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 3: نفاذية SFN@RB@SPM واستهدافه لخلايا U87-MG المعزز بالموجات فوق الصوتية (US). (A) قياس نفاذية SFN@RB@SPM عبر الواجهة الوعائية الدماغية، مع أو بدون التعرض للموجات فوق الصوتية. شريط المقياس: 200 µm. (B) معاملات النفاذية الكمية لـ SFN@RB@SPM في ظروف المجموعة الضابطة والظروف المعالجة بالموجات فوق الصوتية. (C) تراكم SFN@RB@SPM في القناة الورمية بعد فتح الحاجز الدموي الدماغي (BBB) بوساطة الموجات فوق الصوتية، حيث تم تسجيل الفلورة الحمراء بعد 3 h من الحقن. شريط المقياس: 50 µm. تمثل البيانات المتوسط ± SEM من ثلاث شرائح مستقلة (n = 3). تم تحديد الدلالة الإحصائية باستخدام اختبار Student’s t-test غير المقترن وذي الذيلين. الدلالة الإحصائية: p < 0.0001. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل التكميلي 1: مخطط تصميم CAD لشريحة الموائع الدقيقة لنموذج الحاجز الدموي الدماغي والورم الأرومي الدبقي (BBB-GBM).يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 2: التصميم التفصيلي لشريحة BBB-GBM. يتكون التصميم من ثلاث قنوات مائعية دقيقة متوازية؛ يبلغ عرض كل من القناتين الجانبيتين 1000 µm، بينما يبلغ عرض القناة المركزية 1300 µm.يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 3: توصيف الخلايا النجمية الأولية بواسطة GFAP (باللون الأخضر)، وصبغ النوى باستخدام DAPI (باللون الأزرق). شريط المقياس: 50 µm.يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي 4: توصيف المذيلات النانوية ذاتية التجميع SFN@RB@SPM. (A) تحليل تشتت الضوء الديناميكي (DLS) يوضح توزيع حجم SFN@RB@SPM، بمتوسط قطر جسيمات يبلغ حوالي 64 nm. (B) يشير قياس جهد زيتا إلى شحنة سطحية تبلغ حوالي 150.67 ± 2.85 mV. أجريت جميع القياسات باستخدام أجهزة DLS.يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الجدول التكميلي 1: جدول ملخص لمعلمات الموجات فوق الصوتية.يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.