A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
نوضح هنا تقنية استخدام أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على المعاوقة: ECIS و cellZscope ، لقياس قوة الحاجز البطاني للدماغ. نحن بالتفصيل إعداد وتقنية إضافة محفزات مختلفة إلى نموذج في المختبر من بطانة الدماغ. نحن نقيس ونسجل ونقدم تحليلا تمثيليا للنتائج.
يحمي الحاجز الدموي الدماغي (BBB) حمة الدماغ من مسببات الأمراض الضارة في الدم. يتكون BBB من وحدة الأوعية الدموية العصبية ، التي تضم pericytes ، وعمليات القدم النجمية ، والخلايا البطانية الملتصقة بإحكام. هنا ، تشكل الخلايا البطانية للدماغ الخط الأول من الحاجز ضد مسببات الأمراض المنقولة بالدم. في حالات مثل السرطان والتهاب الأعصاب ، يمكن للعوامل المنتشرة في الدم أن تعطل هذا الحاجز. يؤدي تطور المرض إلى تفاقم اضطراب ما بعد الحاجز بشكل كبير ، مما يسمح بالوصول إلى مناطق الدماغ أو ضعفها. هذا يؤدي إلى تفاقم التوقعات بشكل كبير ، لا سيما بسبب خيارات العلاج المحدودة المتاحة على مستوى الدماغ. ومن ثم ، تهدف الدراسات الناشئة إلى التحقيق في العلاجات المحتملة التي يمكن أن تمنع هذه العوامل الضارة في الدم من التفاعل مع الخلايا البطانية في الدماغ.
تقيس أجهزة استشعار مقاومة الخلايا والركيزة الكهربائية (ECIS) وأدوات cellZscope المتاحة تجاريا المقاومة عبر الطبقات الخلوية أحادية الطبقة ، مثل بطانة BBB ، لتحديد قوة حاجزها. هنا نوضح بالتفصيل استخدام كل من أجهزة الاستشعار الحيوية في تقييم سلامة الحاجز البطاني للدماغ عند إضافة محفزات مختلفة. بشكل حاسم ، نسلط الضوء على أهمية قدرتها عالية الإنتاجية للتحقيق المتزامن للمتغيرات المتعددة والعلاجات البيولوجية.
تتناول هذه المقالة الاتجاهات الحالية في تقييم خلايا الأوعية الدموية الدقيقة. نحن نوضح بالتفصيل على وجه التحديد استخدام منصتين متاحتين تجاريا لقياس خصائص الحاجز الواقي للخلايا البطانية الوعائية الدقيقة الدماغية. الخلايا البطانية هي خلايا مواجهة للدم، وتبطن جدار الوعاء الدموي. ومع ذلك ، فإن الأوعية الدقيقة الدماغية فريدة من نوعها لأنها تساعد في تشكيل الحاجز الدموي الدماغي الواقي (BBB) 1،2،3. يعمل BBB على تنظيم نقل الجزيئات من الدم إلى الدماغ. ترتبط الأمراض الطرفية التي تؤثر على الجهاز العصبي المركزي (CNS) عادة بالفشل الوظيفي ل BBB 4,5. الهياكل التشريحية التي تشكل BBB غير موجودة في واجهة أنسجة الدم في أي مكان آخر في الجسم6. تتكون هذه الهياكل التشريحية من الخلايا المحيطة ، التي تقع بالقرب من الخلايا البطانية للدماغ ، وتنظم تكاثرها ونفايتها. عمليات القدم النجمية ، التي تشارك في خلط المغذيات والدعم التشريحي 7,8 ؛ الخلايا الدبقية الصغيرة ، وهي الضامة المقيمة في الدماغ ، غالبا ما تكون متورطة في التهاب الأعصاب ونقص التروية9،10،11،12 ، وبطانة الدماغ ، التي تشكل طبقة أحادية من الخلايا الملتصقة بإحكام دون fenestrations13,14. تعرف بطانة الدماغ عادة باسم "الحاجز البطاني الدماغي" وتشكل حاجزا هيكليا ووظيفيا بخمس طرق متميزة. أولا ، يتكون مكون الحاجز شبه الخلوي عن طريق الالتصاق عند تقاطعات الخلايا الخلوية الجانبية. ثانيا ، يتم الحفاظ على مكون الحاجز عبر الخلايا من خلال تنظيم التداخل الخلوي. ثالثا ، يثبت الغشاء القاعدي المتخصص ويدعم البطانة عبر مصفوفة غنية خارج الخلية تتكون إلى حد كبير من الكولاجين15,16. الآليتان الأخيرتان هما من خلال الإنزيمات والناقلات التي تساعد على تنظيم عملية التمثيل الغذائي للأدوية وامتصاص الجزيئات الكبيرة ، على التوالي17.
تشكل التفاعلات شبه الخلوية المكون الرئيسي للحاجز البطاني للدماغ ، ويتم تسهيله بواسطة الوصلات الضيقة (TJs) ، والتي تضم بروتينات الغشاء claudins ، و occludin ، وجزيئات الالتصاق الموصلية (JAMs) 18. يشكل الارتباط المتجانس القوي للبروتينات الغشائية أول حاجز هيكلي ، على الرغم من أن JAMs ترتبط أيضا بالبروتينات الملحقة بانسداد المنطقة ، وبالتالي ربط TJs بالهيكل الخلوي للأكتين19,20. تضع روابط الأكتين TJs في المنطقة القمية من البطانة21 ، والتي تستقطب وظيفيا الخلايا البطانية لتشكيل الحاجز الهيكلي على هذا الجانب القمي أو "المواجه للدم". في المنطقة القاعدية من البطانة ، تلعب تقاطعات الالتصاق عالية التخصص (AJs) دورا تنظيميا في الحفاظ على مورفولوجيا الخلية. تتكون AJs من الكاديرين المعتمد على الكالسيوم ، والذي يربط الهيكل الخلوي للخلايا البطانية المجاورة من خلال مجمع عائلة الكاتينين20,22. الكاديرين البطاني الوعائي (VE-Cadherin) هو أحد هذه الكاديرين ، الذي ينظم التعبير عن بروتينات TJ ووظيفة الحاجز البطاني الشاملة للحفاظ على سلامة الطبقة الأحادية البطانية23،24،25،26،27. تشير المعدلات الالتهابية ، مثل عامل نخر الورم ألفا (TNFα) ، إلى استيعاب VE-cadherin بعيدا عن تقاطعات الخلايا ، مما يؤدي إلى زعزعة استقرار الحاجز البطاني28،29،30. جزيء التصاق الخلايا البطانية للصفائح الدموية (PECAM)31 هو كادهيرين AJ آخر يعمل على استقرار وإعادة تشكيل الوصلات البطانية32,33. تقيد كثافة هذه البروتينات الموصلية تدفق الإلكترونات عبر الفضاء شبه الخلوي بين الخلايا البطانية. تستخدم هذه السمة لقياس قوة الحاجز البطاني أو المقاومة الكهربائية عبر البطانة (TER) عبر أحاديات الخلايا المتقاربة مثل بطانة الدماغ.
تركز الدراسات العلاجية على بطانة الدماغ بسبب دورها الحيوي في واجهة الدم والدماغ. تؤثر العديد من الأمراض سلبا على بطانة الدماغ ، بما في ذلك حالات الالتهاب العصبي مثل التصلب المتعدد والسكتة الدماغية والأمراض التنكسية العصبية والسرطان34،35،36،37. بمجرد تعطل الحاجز البطاني للدماغ ، يزداد تطور المرض سوءا بشكل كبير حيث يتعرض الدماغ بشكل فعال للمنبهات الضارة في الدم38. لقد أظهرنا سابقا أن الوسطاء الالتهابيين وخلايا سرطان الجلد النقيلي تعطل الحاجز البطاني في الدماغ باستخدام تقنيتين تقيس قوة الحاجز البطاني39،40،41.
استشعار مقاومة الخلايا الخلوية الكهربائية (ECIS) هو مستشعر حيوي قائم على المعاوقة يسمح بتقييم في الوقت الفعلي وبدون تسمية لسلامة حاجز الخلية البطانية. هنا ، تصطف آبار الفحص بأقطاب كهربائية مطلية بالذهب ، والتي تقدم التيار المتردد (AC) إلى نظام الفحص. يتم زرع الخلايا البطانية للدماغ في هذه الآبار ، مما يعني أنه يمكن تطبيق AC من خلال الخلايا. (الشكل 1 أ - بئر ؛ منظر جانبي). هذا يحدد الدائرة الكهربائية ، والتي تستخدم لحساب المعاوقة (الشكل 1A- مخطط الدائرة). تزداد المعاوقة عندما تلتصق الخلايا البطانية للدماغ بالصفيحة وتبدأ في تكوين تقاطعاتها شبه الخلوية. هضبة المعاوقة عندما تصبح الخلايا البطانية متقاربة ، وتشكل طبقة أحادية ، وتقيد تدفق التيار. يؤثر تطبيق التيار المتردد على ترددات مختلفة على مسار تدفق التيار عبر الخلايا البطانية. يتدفق التيار عبر جسم الخلية البطانية عند تطبيقه بتردد أعلى (>104 هرتز). يوفر هذا معلومات عن سعة الطبقة الأحادية للخلية ، وتستخدم لتقييم ارتباط الخلية وانتشارها. عند الترددات المنخفضة (102-10 4 هرتز) تكون مقاومة الغشاء عالية ، مما يقيد تدفق التيار عبر الخلايا. في هذه الحالة ، يتنقل غالبية التيار بين الخلايا. عند حوالي 4000 هرتز ، تعزى مقاومة التدفق الحالي في الغالب إلى تقاطعات الخلايا البطانية ، عبر الفضاء بين الخلايا . لذلك ، فإن أي تغيير في المقاومة عند هذا التردد يوفر معلومات تتعلق بسلامة الحاجز البطاني.
في حين أن قياسات المعاوقة الخام يمكن أن توفر نظرة ثاقبة لخصائص الحاجز ، يمكن لبرنامج ECIS بعد ذلك نمذجة المقاومة الكلية المقاسة عبر ترددات التيار المتردد المتعددة وبشكل أكثر دقة ، فصلها إلى معلمتين رئيسيتين لسلامة الحاجز. هذه المعلمات هي المقاومة شبه الخلوية بين الأغشية الجانبية للخلايا المجاورة (مقاومة بيتا Rb ؛ حاجز خلوي ؛ الشكل 1A-الأسهم الخضراء) ، والمقاومة القاعدية بين طبقة الخلية القاعدية والقطب (مقاومة ألفا ألفا ؛ حاجز قاعدي ؛ الشكل 1 أ - الأسهم الزرقاء). يتم قياس معلمة نموذجية ثالثة أيضا على أنها سعة غشاء الخلية (Cm; الشكل 1 أ - الأسهم الحمراء). يعرض Cm التدفق السعوي للتيار عبر الخلايا ، مما يدل على تكوين غشاء الخلية. هنا ، تشير التغييرات في Rb أو الحاجز شبه الخلوي إلى تغيرات في TJs و AJs ، وهي حاسمة في الحفاظ على سلامة الحاجز البطاني. لتفسير Rb بشكل موثوق ، تم وضع أربعة افتراضات رئيسية ، كما طورها Giaever و Keese42 وناقشها Stolwijk et al.43 بشكل نقدي. على الرغم من أن هذه الافتراضات مهمة لضمان صحة نمذجة ECIS ، إلا أنها تتحقق بسهولة من خلال طبقة أحادية البطانية متقاربة.
مثل ECIS ، يسمح cellZscope بقياس التغيرات في مقاومة الحاجز البطاني. ومع ذلك ، يتم استزراع الخلايا على إدراج غشاء مسامي. في هذا النظام ، تكون الدائرة الكهربائية بين قطبين على جانبي إدخال الغشاء. يتم استزراع الطبقة الأحادية البطانية أعلى ملحق الغشاء هذا ، مما يسمح بقياس المقاومة الكهربائية عبر البطانة (TER) (الشكل 1B - البئر ؛ منظر جانبي). كما هو الحال مع ECIS ، في هذا النظام ، يمكن أن تعزى المعاوقة الكلية إلى العديد من مكونات الحاجز ، اعتمادا على تردد التيار المطبق44. عند الترددات المنخفضة ، تهيمن سعة القطب (CEl) على المعاوقة الكلية للنظام. بدلا من ذلك ، عند الترددات العالية ، تهيمن مقاومة الوسائط (R medium) على المعاوقة الكلية. ومن ثم ، فإن القياسات الأكثر فائدة تقع ضمن نطاق التردد المتوسط (102-10 4 هرتز) ، والذي يوفر معلومات تتعلق بمكونين رئيسيين للحاجز البطاني (الشكل 1 ب - مخطط الدائرة). أولا ، عند 103-10 4 هرتز ، تهيمن سعة طبقة الخلية (CCl) على المعاوقة الكلية حيث أن مقاومة الغشاء (غشاء R) عالية بما يكفي لإهمالها ، ويتدفق التيار في الغالب عبر المكثف. ومن ثم، يشير CCl إلى التغيرات التي تطرأ على المقاومة عبر الغشاء الخلوي. بدلا من ذلك ، يضفي TER في الغالب المعاوقة الكلية عند 10 2-10 3 هرتز ، حيث يتم توجيه تدفق التيار عبر المساحات الموصلة بين الخلايا المجاورة ، والتي تجمعها البروتينات الموصلة. ومن ثم ، فإن هذا يوفر معلومات عن المكون شبه الخلوي للحاجز البطاني ، كما رأينا سابقا مع Rb على ECIS.
يوضح الشكل 1 ج كيف تتعطل مناطق معينة من بطانة الدماغ عن طريق العلاج بخلايا الورم الميلانيني. يتم الكشف عن هذا الاضطراب بواسطة أجهزة الاستشعار الحيوية عن طريق تغيير في تدفق التيار عبر الفضاء شبه الخلوي (يقاس على أنه Rb أو TER) ؛ الفضاء القاعدي (يقاس باسم ألفا) ؛ وغشاء الخلية (يقاس ك Cm أو CCl). استخدمنا كلا المستشعرين الحيويين المفصلين في هذه المقدمة لقياس تغير الحاجز البطاني للدماغ بعد العلاج بمحفزات مختلفة مثل السيتوكينات أو خلايا سرطان الجلد الغازية. تنخفض المقاومة المقاسة إذا عطل حافز معين الحاجز البطاني ، مما يخلق مسارا أقل مقاومة للسماح بتدفق التيار. وبالتالي ، فإن انخفاض "مقاومة الحاجز" يشير إلى فقدان سلامة الحاجز أو اضطراب الحاجز البطاني للدماغ. في هذه المقايسات ، درسنا هذا الاضطراب من خلال تفسير المقاومة والمعلمات النموذجية في الوقت الفعلي. تم تفصيل تطبيق ECIS و cellZscope في معالجة مثل هذه الأسئلة البحثية في مكان آخر39،41،45،46.
تسمح الأبحاث في المختبر باكتشاف آليات المرض الحاسمة من خلال الكشف عن الجزيئات والمسارات الوظيفية التي تؤدي إلى تقدم المرض. ومع ذلك ، فإن هذا يتطلب تكرارا موثوقا للمرض في المختبر ، والذي يختلف اختلافا جوهريا عن الجسم الفعال. في السيناريو المثالي ، يجب أن يكون البحث في المختبر قابلا للتكرار ، وغير جراحي ، وخالي من الملصقات ، وكميا ، ويحاكي التأثيرات الهيكلية الموجودة في الجسم الحي. في هذه المقالة ، نوضح بالتفصيل منهجية استخدام هاتين التقنيتين المتنافستين لقياس التغيرات التي يسببها العلاج في سلامة الحاجز البطاني للدماغ. نناقش مزايا الجمع بين نتائجها لتقديم صورة أكثر شمولا لتعطيل الحاجز ومشاركة القيود التي لا يزال يتعين التغلب عليها.
1. استخدام ECIS لمراقبة التغيرات في سلامة الحاجز البطاني للدماغ استجابة للعلاجات المختلفة
2. استخدام cellZscope لمراقبة التغيرات في سلامة الحاجز البطاني للدماغ استجابة للعلاجات المختلفة
تفسير بيانات مقاومة ECIS
فهم الظروف التجريبية المثلى
هنا يمكن عرض البيانات مباشرة باستخدام البرنامج (الشكل 2 أ) أو تصديرها للتحليل ورسم الرسم البياني (الشكل 2 ب). يوضح الشكل 2 أ مثالا للبيانات المعروضة على...
يجب أن تأخذ الدراسات العلاجية حول الأمراض التي تؤثر على BBB في الاعتبار أهمية سلامة وتنظيم الحاجز البطاني للدماغ. على سبيل المثال ، يتم التحقيق بشكل حاسم في اضطراب الحاجز البطاني للدماغ في ورم خبيث من السرطان إلى الدماغ من مواقع تشريحية أخرى. وذلك لأن بطانة الدماغ تشكل الحاجز الأول ضد الخلا...
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عنه.
تم تمويل Akshata Anchan من قبل مؤسسة الأعصاب في نيوزيلندا لمنحة Gillespie الدراسية (مرجع المنحة: 1628-GS) والزمالة الأولى (مرجع المنحة: 2021 FFE). كما تم تمويل تكلفة البحث جزئيا من قبل زمالة مؤسسة الأعصاب -2021 FFE وصندوق تطوير أبحاث أعضاء هيئة التدريس بجامعة أوكلاند. تم تمويل جيمس هاكلسبي بمنحة دراسية من مؤسسة أوكلاند للأبحاث الطبية. بفضل فريق Baguley ومركز أبحاث جمعية أوكلاند للسرطان لخطوط خلايا سرطان الجلد النيوزيلندية المشتقة من المريض.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
aMEM | Gibco | 12561072 | Melanoma cell base media |
cellZscope array | nanoAnalytics | cellZscope2; software v4.3.1 | TER measuring biosensor array |
Collagen I—rat tail | Gibco | A1048301 | ECM substrate for coating |
dibutyryl-cAMP | Sigma-Aldrich | D0627 | Brain endothelial media supplement |
ECIS array | Applied Biophysics | ECIS ZΘ; software v1.2.163.0 | Rb/Alpha measuring biosensor array |
ECIS plate | Applied Biophysics | 96W20idf | 96-well biosensor plate |
FBS | Sigma-Aldrich | 12203C-500ML | |
GlutaMAX | Gibco | 305050-061 | Brain endothelial media supplement |
hCMVEC | Applied Biological Materials | T0259 | Brain endothelial cell line |
hEGF | PeproTech | PTAF10015100 | Brain endothelial media supplement |
Heparin | Sigma-Aldrich | H-3393 | Brain endothelial media supplement |
hFGF | PeproTech | PTAF10018B50 | Brain endothelial media supplement |
Hydrocortison | Sigma-Aldrich | H0888 | Brain endothelial media supplement |
IL-1β | PeproTech | 200-01B | Cytokine |
Insulin-Transferrin-Sodium Selenite | Sigma-Aldrich | 11074547001 | Melanoma cell media supplement |
M199 | Gibco | 11150-067 | Brain endothelial cell base media |
MilliQ water | Deionized water | ||
PBS 1x | Gibco | 10010-023 | |
TNFα | PeproTech | 300-01A | Cytokine |
Transwell insert | Corning | CLS3464 | Porous membrane insert |
TrypLE Express Enzyme | Gibco | 12604021 | Dissociation reagent |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionExplore More Articles
This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved