《Viruses》：Application of a Blood–Brain Barrier Organ-on-a-Chip Model for Assessment of Countermeasure Efficiency Against Eastern Equine Encephalitis Virus
Niloufar A. Boghdeh-Olson,
Michael D. Barrera,
Clayton M. Britt,
David K. Schaffer,
Jacquelyn A. Brown,
John P. Wikswo and
Aarthi Narayanan
编辑推荐：
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神经嗜性甲病毒（例如东方马脑炎病毒）的感染会在中枢神经系统引起广泛炎症和组织损伤，包括破坏血脑屏障。感染后的神经炎症和血脑屏障破坏是制定有效对策策略的关键病理学考量。由东方马脑炎病毒感染引起的脑炎疾病目前缺乏FDA批准的治疗干预策略，这暴露了应对甲病毒感染
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神经嗜性甲病毒（例如东方马脑炎病毒）的感染会在中枢神经系统引起广泛炎症和组织损伤，包括破坏血脑屏障。感染后的神经炎症和血脑屏障破坏是制定有效对策策略的关键病理学考量。由东方马脑炎病毒感染引起的脑炎疾病目前缺乏FDA批准的治疗干预策略，这暴露了应对甲病毒感染可能带来的全球健康负担的能力存在重大差距。本研究中，研究人员展示了一种可用于模拟EEEV诱导的神经病理学并评估对策的重力驱动神经血管单元（gNVU）模型。使用该模型生成的数据表明，EEEV感染会导致血脑屏障完整性随时间推移而破坏，并以与病毒载量增加相关的方式增加炎症负荷。数据还表明，病原体的引入途径对所测得的病理有影响，从脑侧感染比从血管途径感染引发了更严重的炎症结果。总体而言，所含数据支持这种人类血脑屏障器官芯片平台在理解由神经嗜性病毒引起的脑炎疾病以及评估治疗干预策略方面的实用性。
论文解读文章：
研究背景与动机
东方马脑炎病毒（Eastern Equine Encephalitis Virus, EEEV）是一种属于披膜病毒科（Togaviridae）的新世界甲病毒，主要通过蚊虫叮咬传播。该病毒具有显著的神经嗜性，能够高效侵入中枢神经系统，感染血脑屏障细胞和神经元，引发严重的神经系统疾病状态，对人类和动物具有高致死率，构成重要的“One Health”关切议题。血脑屏障是维持中枢神经系统稳态、调节血液与脑细胞间物质交换的高度特化和选择性界面，是神经血管单元的核心组成部分。然而，神经嗜性病毒感染会破坏血脑屏障完整性，加剧神经炎症，这是脑炎疾病进展的关键病理过程。目前，针对EEEV感染引发的脑炎，尚无FDA批准的特效疗法，凸显了在该领域进行基础研究和开发有效干预措施的迫切需求。为了填补这一空白，并深入理解不同感染途径下的神经病理机制，研究人员利用一种新型的、基于重力灌注的三维血脑屏障器官芯片模型，对EEEV感染及其潜在对策进行了评估。相关研究成果发表在学术期刊《Viruses》上。
关键技术方法概述
本项研究采用了重力驱动神经血管单元（gravity-flow Neurovascular Unit, gNVU）这一器官芯片平台。该gNVU由血管腔和脑腔构成，血管腔内植入人脑微血管内皮细胞，脑腔内则以1:1的比例植入人SVGp12星形胶质细胞和人脑血管周细胞，共同模拟人类血脑屏障的结构与功能。研究建立并比较了EEEV感染的两种途径模型：血管途径感染，模拟蚊虫叮咬等自然感染；以及脑侧途径感染，模拟气溶胶暴露。实验在生物安全三级实验室中进行，使用EEEV GA97毒株。屏障通透性通过检测荧光素异硫氰酸酯-葡聚糖的渗透来评估；病毒载量通过空斑实验定量；炎症因子水平则使用商业化的多重细胞因子检测试剂盒对10种促炎细胞因子进行量化。药物干预研究涉及一种名为Omaveloxolone的小分子化合物。
研究结果与发现
3.1. gNVU中EEEV感染的验证
研究人员成功在gNVU中建立了EEEV血管途径感染和脑侧途径感染模型。两种模型均导致血脑屏障完整性遭到时间依赖性破坏，且屏障破坏程度与病毒载量增加相关。
3.1.1. EEEV感染破坏gNVU中的BBB完整性
感染导致血脑屏障通透性增加。其中，血管途径感染模型在感染后48小时开始出现明显的屏障破坏，而脑侧途径感染模型在感染后24小时即可检测到破坏，且破坏程度更严重、更持久。未感染的对照组gNVU在整个研究期间保持屏障稳定。
3.1.2. EEEV感染改变感染gNVU中的细胞因子谱
两种感染模型均诱导了促炎细胞因子的产生。在血管途径感染模型中，感染诱导了强烈的细胞因子反应，尤其是在脑侧，其浓度普遍高于血管侧，且与较高的病毒滴度一致。在脑侧途径感染模型中，虽然整体细胞因子反应相对温和，但脑侧细胞因子浓度仍普遍高于血管侧，其中IL-4和IL-10在感染后24小时脑侧浓度就显著高于血管侧。
3.2. OMA处理在EEEV VRI模型中保护BBB完整性
研究人员评估了小分子药物Omaveloxolone的治疗效果。在血管途径感染模型中，感染导致屏障通透性从感染后48小时开始逐渐增加，而经OMA处理的gNVU则在整个120小时的研究期间保持了稳定的屏障功能，其通透性值与未感染对照组相当。
3.2.1. OMA处理减少VRI模型中的EEEV病毒复制
OMA处理显著降低了血管途径感染模型中的病毒载量。在血管侧和脑侧，病毒滴度均在感染后48小时达到峰值，而OMA处理组的病毒滴度显著低于未处理组，尤其是在感染后48小时。这表明OMA在血管途径感染模型中具有抗病毒活性。
3.2.2. OMA处理调节VRI模型的炎症细胞因子
在血管途径感染模型中，OMA处理早期降低了IFN-γ、IL-4和IL-13等细胞因子的浓度。随着时间的推移，血管侧的细胞因子水平逐渐升高并在感染后120小时趋于稳定，而此时病毒滴度也在下降。在脑侧，OMA处理则在感染后48小时后普遍降低了这些细胞因子的水平，提示其可能抑制了过度的神经炎症信号。
3.3. OMA处理在EEEV BRI模型中保护BBB完整性
在脑侧途径感染模型中，感染同样导致了屏障破坏，通透性在感染后48小时开始增加。OMA处理在感染早期有效地保护了屏障完整性，但在感染后72小时，屏障通透性开始增加，表明在脑侧感染、血管侧给药的模式下，OMA对屏障的保护作用不如血管途径感染模型持久。
3.3.1. OMA处理减少BRI模型中的EEEV病毒载量
在脑侧途径感染模型中，OMA处理在感染早期显著降低了脑侧的病毒滴度，尤其是在感染后48小时，但对血管侧的病毒载量影响相对有限，且未显示出统计学显著性。
3.3.2. OMA处理调节EEEV BRI模型中的炎症细胞因子
在脑侧途径感染模型中，OMA处理导致血管侧的细胞因子水平在感染后48小时左右开始逐渐升高，而脑侧的细胞因子水平则保持不变或低于未处理的感染组。这表明OMA可能以依赖于感染途径和暴露部位的方式平衡抗病毒免疫信号和过度的炎症反应。
讨论与结论总结
讨论总结：
本研究利用gNVU血脑屏障器官芯片模型，为理解新世界甲病毒（以EEEV为例）的感染动力学提供了新的视角。研究比较了血管途径感染和脑侧途径感染两种模型，揭示了感染途径在决定血脑屏障破坏时间、病毒复制动力学和炎症反应特征方面起着关键作用。血管途径感染引发了更强烈的、持续的脑侧炎症反应，而脑侧感染则导致更早的屏障破坏和相对温和的细胞因子诱导。这种差异提示，不同感染途径可能通过不同的细胞机制影响神经血管界面。
对药物OMA的评估进一步支持了这种宿主导向干预措施在维持血脑屏障完整性和限制病毒复制方面的潜力。在血管途径感染模型中，OMA显示出全面的保护效果；而在脑侧感染模型中，其保护作用在时间上有限，这可能反映了药物从血管侧递送至直接暴露的脑侧细胞的效率差异，强调了感染和给药途径对治疗效果的影响。研究还观察到OMA能调节细胞因子反应，其模式因感染途径而异，这可能与其激活Nrf2通路、从而在抗氧化和调节细胞因子信号传导方面的双重作用有关。
本研究的gNVU平台提供了一个生理相关的人类血脑屏障模型，能够解析传统细胞培养或体内模型难以揭示的神经血管相互作用机制。尽管与动物模型观察到的细胞因子谱存在一些差异（可能由于缺乏浸润免疫细胞和微glia），但该平台在可控条件下研究病毒神经致病机制和宿主反应方面具有独特优势。这项工作推进了用于研究脑炎性甲病毒感染的人类相关平台的发展，并支持将微生理系统进一步整合到抗病毒药物发现流程中。
研究结论翻译：
总体而言，本研究的数据支持该重力驱动神经血管单元平台在理解由神经嗜性病毒感染引起的神经病理学以及评估对策方法方面的实用价值。
