基于千兆赫兹声流体，实现血脑屏障可控调节

血脑屏障是大脑内稳态所必需的结构和功能屏障，在神经功能的实现和保护大脑免受循环毒素和病原体的损害等方面发挥着重要的作用。血脑屏障结构和功能的正常维持离不开血管内血流所产生的流体力的调控。然而，极为致密的血脑屏障也严格限制了绝大多数药物分子跨血脑屏障的递送，这对中枢神经系统疾病的诊断和治疗是一个很大的限制。本文报道了一种基于固体装配型薄膜体声波谐振器（SMR）的血脑屏障可控调节和打开的方法。通过简便地调节声学器件的输入功率和工作距离，便可产生具有可调流速的声流体来实现不同剪切力的加载以及分子跨血脑屏障渗透的增强。该工作为研究流体剪切力对血脑屏障的力学调节提供了新的平台，为提高跨血脑屏障的给药效率提供了新的方法。

声流体对血脑屏障调节的原理

当千兆赫兹的SMR在液体环境中工作时，会由于声波的耗散引发声流体效应。二维有限元仿真显示SMR会由中心区域产生垂直方向的液体流动，当到达细胞界面时，会由于垂直方向速度的锐减产生横向流动从而给细胞加载流体剪切力（图1）。

图1（a）SMR调节血脑屏障的原理示意图。（b）SMR的显微图。（c）SMR的垂直结构示意图。（d）SMR在液体中引发声流体的速度场二维有限元仿真，白色箭头指示了液体流动的方向。

声流体的可控调节

通过对SMR所引发声流体速度场的二维有限元分析发现，SMR表面不同距离处的声流体速度不同，且距离越近时，速度也越大（图2）。因此，可以通过同时控制SMR的工作距离和输入功率来获得不同流速大小的声流体，从而实现不同大小剪切力的加载。

图2 距离SMR分别为500μm、1000μm、1500μm处的声流体速度的二维有限元仿真。

血脑屏障模型的构建

利用Transwell小室在体外构建血脑屏障模型，并利用光学观察、跨内皮细胞阻抗测量、分子渗透性实验以及特定蛋白的免疫荧光染色来追踪血脑屏障模型的发育情况。实验结果显示在培养6天后可获得较为成熟的血脑屏障模型（图3）。

图3 （a）培养1天和5天时血脑屏障模型的荧光图像。（b）血脑屏障模型跨内皮细胞阻抗（TEER）测量原理示意图。（c）培养1-9天中血脑屏障的TEER值统计。（d）培养1-9天中分子跨血脑屏障渗透强度的统计。（e）血脑屏障模型培养6天后ZO-1蛋白的免疫荧光图像。比例尺=50μm。

声流体对血脑屏障完整性的调节

利用光学观察和跨内皮细胞电阻测量的方法对声流体作用后血脑屏障完整性的变化进行表征。实验结果发现较低功率的声流体作用时，血脑屏障的完整性基本不受影响；而较高功率的声流体作用时，血脑屏障完整性会明显下降，并且功率越高时下降越明显（图4）。

图4 （a）不同功率声流体作用下血脑屏障模型的荧光及明场图像。红色箭头指示了声流体所刺激的区域。比例尺=500μm。（b）声流体作用后血脑屏障模型的跨内皮细胞电阻值变化。

声流体对血脑屏障紧密连接蛋白的调节

利用共聚焦显微镜对血脑屏障的紧密连接蛋白ZO-1进行三维层扫发现，声流体可以通过破坏内皮细胞之间的紧密连接蛋白使致密的血脑屏障上产生孔隙（图5）。

图5 声流体对ZO-1蛋白的影响。红色荧光代表ZO-1蛋白，蓝色荧光代表细胞核。实验组（a）施加400mW声流体刺激，对照组（b）不做任何处理。黄色箭头指示了声流体作用下血脑屏障上产生的孔隙。

声流体对分子跨血脑屏障渗透的增强

通过分子渗透性实验发现，声流体对不同分子量的葡聚糖跨血脑屏障的渗透都有明显的增强作用（图6）。至此，本文提出了一种简单易操的血脑屏障流体力调控系统，并借此研究了不同大小的剪切力对血脑屏障完整性的影响以及分子跨血脑屏障渗透的增强。该系统为研究流体剪切力与血脑屏障之间的关系提供了新的平台，为突破血脑屏障对药物递送的阻碍提供了新的手段。

图6 不同分子量的葡聚糖在10min内跨血脑屏障渗透到下侧腔室中的浓度。实验组施加了400mW声流体的刺激，对照组不予任何处理。**P<0.01。表征声场的方法。   论文链接： https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0014861  

审核编辑 ：李倩