大脑

大脑是机体神经系统的一部分，神经系统还包括所有神经和脊髓。血脑屏障允许水，气体，糖类和一些其他化合物通过血液循环进入脑周围的液体。同时，血脑屏障阻挡了许多潜在有害的毒素和细菌。血脑屏障的双重作用使得治疗大脑疾病变得困难，因为一些潜在的治疗药物无法穿过屏障。由于缺乏预测哪些药物能够通过血脑屏障的方法，研究人员面临极大地挑战。

科学家们还需要了解更多关于大脑发育的信息，包括从胚胎到死亡阶段中大脑发育、成型、重塑的过程。由于缺乏潜在的治疗方法如何影响大脑发育的相关数据，阻碍了研发各种疾病新疗法的进展。

科学家可以从实验室开发的装置中获益，这些装置使他们能够研究脑组织、发育中的大脑和血脑屏障。一些美国国立卫生研究院支持的研究人员将他们的研究重点放在开发此类装置上，目的是加快药物测试和新药批准的过程，并最终更快地为更多患者提供更多的疗法。 

芯片上的大脑发育

美国国立卫生研究院支持的科学家在威斯康星州的莫格里奇研究所正在开发一种人脑组织芯片。科学家从单一干细胞来源的得到了多种类型的脑细胞。干细胞拥有发展成多种不同细胞类型的巨大潜能，在早期生命和胚胎发育中都至关重要；在成年人中，干细胞在组织修复和维持中发挥着重要作用。当把这些脑细胞一起加入到营养丰富的特定结构中时，它们会形成复杂的分层组织，并伴有神经结构和血管。

科学家的目标是利用该模型预测潜在毒素对大脑发育的影响。通过在实验室环境中进行初步测试，科学家们可以得到比目前的测试方法更准确的数据，来预测对大脑有毒性的潜在化合物。

脑组织包含多种类型的细胞，其包括在该芯片系统中。主要细胞类型如上所示。

当前体细胞被添加到芯片上的其他类型的脑细胞中时，它们会转变成另一种称为小胶质细胞的脑细胞，如本视频所示。

如上图所示，脑细胞形成复杂的组织，完整的神经结构（红色）和血管（绿色）。

上图是一个特写镜头，显示神经、血管与脑神经胶质细胞一起生长。

芯片上的血脑屏障

在美国国立卫生研究院的支持下，范德比尔特大学的一个研究团队开发了一种生物工程装置，科学家可以利用这种装置测试化合物穿越血脑屏障的能力。研究人员利用干细胞技术为该装置产生脑组织和血管。他们从源自成体供体细胞的iPSC产生脑细胞和血管。在芯片上，脑细胞和血管被膜隔开，膜起到类似于血脑屏障的作用。

上图是范德比尔特大学开发的芯片上血脑屏障的示意图。顶部容纳脑细胞，底部容纳生物工程血管。这两个部分由一个模仿血脑屏障的膜隔开。药物可以添加到“血液”一侧，看看它们是否会进入“大脑”一侧。

芯片上的血脑屏障如上所示。蓝色染料显示脑细胞的去向，红色染料显示血液循环的途径。

展望未来

科学家将使用大脑的生物工程模型和血脑屏障来测试实验药物，以提供相关数据，加速药物批准过程，并为患者提供更快的新疗法。使用生物工程系统，科学家们不仅可以开发关于脑部疾病的新治疗方法，而且可以更准确地预测用于治疗其他疾病的药物对神经系统的效应。

在未来，研究人员计划将大脑和血脑屏障模型与基于其他人体器官的芯片集成起来。这样做将有助于我们了解脑治疗对其他器官的影响。很可能，身体其他器官（如肝脏）对药物的处理可能会影响药物穿过血脑屏障的能力，为科学家们开发新的更有效的治疗方法提供了重要信息。

https://ncats.nih.gov/tissuechip/chip/brain