《Smart Medicine》：Constructing Neuroinflammation-On-A-Chip for Traditional Chinese Medicine Extracts Evaluation
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神经炎症是神经退行性疾病的核心病理机制，但传统评估方法效率不足。本研究开发了一种集成GelMA水凝胶与微室阵列的神经炎症芯片，成功模拟了LPS诱导的神经炎症，并验证了姜黄素和白藜芦醇的抗炎作用。该平台为中药活性成分的高通量筛选提供了新工具。
在我们的大脑中，一场悄无声息的免疫风暴——神经炎症，是驱动阿尔茨海默病、帕金森病等众多神经退行性疾病发生与进展的关键推手。这场风暴的核心是中枢神经系统内的常驻免疫细胞，特别是小胶质细胞，它们在受到损伤或感染刺激时会被过度激活，释放出大量诸如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)等促炎因子，进而对神经元造成损伤。虽然传统中药蕴含了许多像姜黄素(Curcumin, Cur)、白藜芦醇(Resveratrol, RSV)这样具有抗炎潜力的天然化合物，但如何快速、准确、低成本地评估这些成分的效果，一直是新药研发中的一大挑战。传统的体外模型难以模拟体内复杂的动态炎症微环境，且通量低、耗时长。为了突破这些瓶颈，一项发表在《Smart Medicine》上的研究，开发了一种名为“神经炎症芯片”的创新平台，旨在为抗神经炎症药物的发现，尤其是中药活性成分的筛选，提供一个更高效、更仿生的解决方案。
为开展此项研究，作者团队主要运用了以下几项关键技术方法：首先，设计并合成了具有微腔阵列结构的明胶甲基丙烯酰(GelMA)水凝胶，为细胞提供三维(3D)培养的仿生微环境；其次，构建了集成“圣诞树”结构浓度梯度生成器和鲱鱼骨结构混合器的多通道微流控芯片；再者，利用脂多糖(LPS)刺激BV2小胶质细胞，成功在芯片上构建了神经炎症体外模型；最后，通过该芯片平台，对姜黄素和白藜芦醇进行了剂量依赖性的抗炎效果高通量筛选。
1. GelMA水凝胶的制备与表征
研究人员首先制备了不同浓度（10%、15%、20%）的GelMA水凝胶。通过1H-NMR和傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实了其成功合成。扫描电镜(SEM)观察显示，水凝胶基本透明，且平均孔径随浓度增加而减小。力学性能测试表明，随着GelMA浓度增加，水凝胶的压缩强度和刚度提高，但溶胀率下降。综合考虑机械性能、溶胀率和降解速率，10%浓度的GelMA水凝胶展现出最优特性，因此被选用于后续芯片集成实验。
2. 神经炎症芯片的构建与功能验证
研究团队将优化后的GelMA水凝胶与微流控芯片集成，构建了功能化的神经炎症芯片平台。该芯片上层是具有鲱鱼骨结构的微通道，用于增强物质交换；下层是排列有微腔阵列的GelMA水凝胶，为细胞提供3D培养位点。数值模拟和染料实验（使用罗丹明B）均证实，芯片中的浓度梯度生成器能够稳定产生从C1到C6通道的浓度梯度，从而实现单次实验中对多种药物浓度的并行测试，相比传统方法显著减少了样品消耗和时间。
3. 芯片的细胞相容性与3D球体培养
生物相容性实验表明，GelMA水凝胶浸提液对BV2小胶质细胞无毒性，细胞活力良好。将BV2细胞接种到芯片的微腔中培养7天，细胞能够自发聚集成团，形成大小均一的细胞球体。活/死染色及定量分析显示，在动态培养基流动的培养条件下，球体内的细胞在7天内保持了高存活率，证明该芯片为3D细胞球体提供了良好的生存环境。
4. LPS诱导神经炎症模型的建立
为在芯片上构建疾病模型，研究使用LPS刺激BV2细胞。通过检测一氧化氮(NO)释放和细胞形态观察，确定1 μg/mL LPS刺激24小时可有效激活小胶质细胞（细胞变为阿米巴样形态），并促使促炎因子释放，从而成功模拟了神经炎症状态。免疫荧光染色进一步显示，LPS刺激后，细胞球中小胶质细胞激活标志物Iba-1和CD11b的表达上调，证实了神经炎症模型的成功构建。
5. 中药活性成分的高通量筛选
利用芯片的浓度梯度生成功能，研究人员对两种天然化合物——姜黄素和白藜芦醇进行了抗神经炎症效果筛选。他们将不同浓度的药物与LPS（1 μg/mL）共同作用于芯片上的BV2细胞球模型。收集各通道培养液并检测NO及促炎因子（IL-1β, IL-6, TNF-α）的水平。结果表明，随着姜黄素或白藜芦醇浓度的增加，由LPS诱导产生的NO和各类炎症因子的释放量均呈现剂量依赖性的显著下降。这直接验证了两种化合物在芯片3D模型中的抗神经炎症活性，也证明了该平台用于高通量药物筛选的有效性。
本研究成功构建了一个集成了GelMA水凝胶微腔阵列和微流控浓度梯度生成器的“神经炎症芯片”平台。该平台不仅能更好地模拟体内3D细胞微环境，支持小胶质细胞形成高活性的球体并进行LPS诱导的神经炎症建模，还能实现高效、低消耗、多浓度并行的药物筛选。研究人员利用该平台，验证了姜黄素和白藜芦醇两种中药来源的天然化合物具有显著的剂量依赖性抗神经炎症效果。这项工作的重要意义在于，它为解决传统神经炎症药物评价模型通量低、仿生性差的问题提供了一个创新工具。这个平台具有高度的灵活性和可扩展性，不仅适用于筛选中药提取物，未来通过整合更多细胞类型或病理刺激，还有望应用于更广泛的疾病模型和药物发现研究，为开发治疗神经退行性疾病的新药提供了强有力的技术支持。
