CN109576155B - 通用神经系统芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通用神经系统芯片，该芯片系统主要由六个独立的神经血管单元组成，每个神经血管单元包括上层血脑屏障腔室、下层神经腔室、多孔膜、上层进样口、上层出样口、下层进样口和下层出样口。本发明具备多细胞共培养能力，并通过多孔膜和微槽的设计可实现多细胞间的信息交流，模拟人体全身神经系统；通过不同的微纳器件集成可广泛实现相关研究与应用的信息采集与监控。

Description

通用神经系统芯片

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种基于微流控芯片的通用神经系统芯片。

背景

神经系统疾病已经严重危害了人类生命与健康，越来越引起关注。虽然现有大量的研究者致力于对该类疾病的药物研发，但是目前在临床治疗中针对以上疾病相关治疗药物所达到的效果并不理想。对于这种困境，其主要原因是由于神经系统的复杂性。一方面在于其结构的复杂，另一方面，在于神经信号传递及调控的复杂。神经系统任何的功能(自主与非自主)，如意识、认知、感觉、运动、视听觉、植物神经功能等，均与神经信号的传递、反馈及调控有关，使得大脑皮质与周围感受器或运动系统(骨骼肌肉)产生联系。虽然目前已知很多的神经传导通路，但是究竟这些信号在传导通路中是如何传递、受何种因素调控、在皮质中如何解析尚不清楚；同时，神经系统构成的细胞种类繁多(神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等)，这些神经信号的传递受到多种细胞的共同作用，细胞间已有相互作用，这种错综复杂的作用构成了神经网络，绝非通过了解一种细胞或几种细胞的功能可以概括。另外神经系统受血脑屏障保护，也并非所有的物质、神经递质或者可作为信号的小分子物质可以通过，因此，要充分了解神经系统的功能，并为疾病造成的神经功能损害提供修复的措施，必须考虑神经细胞的相互作用，并模拟血脑屏障的保护与筛选作用，在此基础上得到的神经信号，才能全面了解神经系统的网络构建及功能，为损伤修复提供基础。现有的细胞模型无法可观的模拟体内细胞间复杂的相互作用，因此，需要建立一种新的更加接近于体内环境的细胞培养模型。通用神经系统芯片的构思也是基于上述的原因。

一、神经-免疫-内分泌网络及其调控

神经细胞之间构成了繁杂的小网络，但其最终目的是服务于整个神经系统的大调控网络的构成，从而使得神经系统功能得以实现。而神经-免疫-内分泌网络是神经系统发挥作用的最主要的调控网络，构成内调节系统，存在交感神经与副交感神经，兴奋性与抑制性，Th1与Th2等对抗机制，是各种神经信号传递及神经功能产生的基础。

(一)下丘脑与神经内分泌系统及其中枢地位

整个神经-免疫-内分泌系统中，下丘脑位于核心的地位。其功能上：1、具有接收内外环境变化的传入系统；2、具有感受和应对内外环境变化的决策中枢核团，尤其与垂体共同组成调控中枢；3、具有向靶机构发出指令的传出系统(如图5所示)。下丘脑整合三大调节通路：神经、内分泌、免疫反应，因此是神经系统调节中枢，也是神经-免疫-内分泌网络的核心。在此基础上，神经系统的各种功能或者说各个神经细胞的功能才能得以发挥。

(二)下丘脑的神经内分泌调控

下丘脑由普通神经元、分泌神经元及投射神经元构成。均可分泌激素，同时其他来源的异常细胞(肿瘤细胞)亦可合成分泌，作用于靶器官特异性受体，从而发挥其功能。激素从化学本质而言包括肽类、蛋白质类及类固醇类等。神经元以及神经内分泌细胞均可分泌激素，通过内分泌或旁分泌方式发挥作用。

下丘脑的分泌神经元包括三种：1、大细胞神经元，可分泌精氨酸加压素(AVP)和催产素(OXY)。2、小细胞神经元，分泌促甲状腺释放激素(TRH)、促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)、生长激素释放抑制激素(生长抑素)、生长激素释放激素(GRH)、促性腺激素释放激素(GnRH)多巴胺等，促使垂体分泌促肾上腺皮质激素(ACTH)、促甲状腺激素(TSH)、生长激素(GH)、卵泡刺激素(LH)、黄体生成素(FSH)、催乳素(PRL)。3、投射神经元，主要位于下丘脑外侧带，投射到中枢神经系统多处、多节段多区域，投射的神经纤维终末以化学性突触，释放神经递质(如GABA、谷氨酸等)，从而调控靶神经元活动。

下丘脑分泌的激素主要作用于靶器官(垂体)，促使垂体分泌释放或抑制释放激素，再作用于甲状腺、性腺、肾上腺等周围器官；同时周围器官腺体分泌的激素如肾上腺分泌的盐皮质激素和糖皮质激素、甲状腺分泌的甲状腺激素、周围感觉末梢或视听觉感受器分泌的细胞因子、神经递质、乃至光学声学的刺激均可对下丘脑或垂体具有反馈调节(促进或抑制)的作用。这样形成了一套下丘脑-垂体-周围腺体的复杂环路，且可相互对抗(拮抗)，共同调节神经系统以及外周重要器官的功能，形成了中枢→中枢、中枢→外周、外周→中枢的对抗网络。因此将这些结构的人源性细胞开展共培养，并通过构建类似血脑屏障模拟神经细胞的生存环境，收集记录这些细胞同培养、相互作用的网络信号，将有利于真正了解神经系统调控的本质。这也是本发明的重大意义。

除垂体外，下丘脑可通过去甲肾上腺素能神经元、多巴胺能神经元、5-HT神经元调节脑干网状结构，这是意识产生的基础。而对杏仁核、海马的直接调节则对认知、情感、记忆进行了调控。下丘脑可接受来自视网膜的信号，并直接投射到视觉辅助区；同样其接受耳蜗毛细胞的听觉信号，并直接投射到听觉辅助区，则使得视觉、听觉产生并接受相应调控。甚至嗅觉也是经过下丘脑换元后传至皮质。

下丘脑和脊髓间的联系亦非常紧密。下丘脑可通过脊髓丘脑束接受躯体的感觉传入，包括所有人体感受器以及皮肤的感觉，包括经大脑整合后通过皮质脊髓束控制躯体的运动，同时可接受内脏传入、传出信号，调节交感/副交感神经，如下丘脑后内侧的交感中枢，则可使得瞳孔扩大、血压升高、心动过速、骨骼肌血管扩张；下丘脑视前区的副交感中枢可引起偶联的迷走神经双级神经元的的反应：如瞳孔缩小、血压下降、心动过缓、骨骼肌血管收缩等。

因此，下丘脑以其为核心，与诸多中枢神经系统组成部分、人体其他系统、各种感受器、外周器官组成了复杂的神经网络，与意识、视听、嗅觉、认知、情感、运动、感觉(包括皮肤觉)、内脏感觉运动神经功能均密切相关，在通过外部腺体器官调节机体的同时，维持各项神经功能的正常发生，而下丘脑与这些感受器或功能之间存在相互联系，构成了相互调节的网络，并且不同功能间的神经网络密集重叠，对这些构成的网络进行分析、比较，或者进行高通量的检测、细胞电位活动的收集，都将有助于了解下丘脑及其构成网络的功能，具有重要意义。

(三)神经系统与免疫系统

神经系统可以通过两条途径来影响免疫功能，一条是通过神经释放递质来发挥作用，另一条是通过改变内分泌的活动转而影响免疫功能。骨髓、胸腺、淋巴结等免疫器官均有自主神经进入，末梢释放的递质(去甲肾上腺素、乙酰胆碱、肽类)可以通过弥散而作用于免疫细胞。去甲肾上腺素能抑制免疫反应，乙酰胆碱能增强免疫反应，脑啡肽能增强免疫反应，而β-内啡肽的作用比较多样。免疫细胞上有相应的受体。

同时各种神经细胞可分泌免疫调节因子直接进入到血液中，作用于免疫系统发挥生理作用。这样神经系统与免疫系统间也建立了相互协调与控制的网络关系，便于神经系统对免疫系统进行调控，同时免疫系统的变化亦可及时给与神经系统相应的反馈。

(四)内分泌系统与免疫系统

内分泌系统受到神经系统的严格调控，同时内分泌系统对免疫系统亦有明确的调控作用。如手垂体调控的肾上腺皮质激素对各种免疫反应有着广泛的抑制作用。抑制效应于炎症或应激时立即出现,此为肾上腺皮质激素发挥抗炎作用的重要机制，可视为神经免疫调节的典型范例。

已证实生长激素缺乏的小鼠出现胸腺萎缩、淋巴组织退化和T淋巴细胞功能缺陷。用生长激素补充治疗后上述变化恢复正常。随年龄增长出现的免疫功能降低，可能与生长激素随年龄增长分泌减少有关。

垂体分泌的催乳素(PRL)可起到刺激免疫反应的作用。人类T、B淋巴细胞和淋巴瘤细胞均存在PRL膜受体；垂体切除后免疫功能低下的小鼠，补充PRL可在一定的程度上部分恢复正常免疫功能；在多种细胞系中发现用抗体中和PRL则可抑制淋巴细胞的增殖。

性激素也与免疫系统有感，资料表明，两性之间由于性激素水平的不同，免疫反应存在着明显的性别差异。

(五)免疫系统与内分泌系统

免疫系统可分泌细胞因子，调节内分泌激素的水平与功能，如下表所示。

此外，免疫系统可像经典的内分泌器官一样，分泌各种激素和神经肽。对神经内分泌系统的功能产生重要的影响。目前已发现免疫细胞合成的神经递质和激素达10余种(如下表)。

注：hCG:人绒毛膜促性腺激素；NCDV:纽卡索疾病病毒；LPS：脂多糖；EBV:EB病毒；IL-1：白介素-1；MLR：混合淋巴细胞反应。

由此可见，神经-免疫-内分泌系统的细胞表面都证实有相关受体接受对方传来的各种信息。中枢神经系统通过其神经纤维，向各脏器、感受器、运动系统的细胞传递信息，发出指令，控制机体的活动；但这些信息需经以下丘脑为核心的神经-免疫-内分泌网络进行辅助处理和加工方能实现；同时，通过游走的内分泌和免疫细胞加工、扩散细胞信息，并产生新的信息，进一步发挥和调控神经系统功能。而激素、神经递质、细胞因子是神经-免疫-内分泌网络的共同语言。而神经系统病变的产生必然与此神经网络相关。

因此，本发明的通用神经系统芯片，有助于模拟体内在血脑屏障内的神经细胞，探索中枢神经细胞→中枢神经细胞、中枢神经细胞→外周神经细胞、外周神经细胞→中枢神经细胞、中枢神经细胞→内分泌细胞、内分泌细胞→中枢神经细胞、中枢神经细胞→免疫细胞、免疫细胞→中枢神经细胞的作用，构建神经网络，可了解神经系统各种信息产生、传递、功能形成和调控的生理机制，探索在病理过程中的作用，为神经系统疾病诊治、预后判断提供线索和依据，形成新的治疗策略和靶点，具有重大的科学意义和临床应用价值。

二、本发明设计的理念

人体组织器官的微结构中细胞的生长方式和状态是各不相同的，例如，毛细血管内皮细胞由单层的内皮细胞组成，细胞外包裹着薄层的基底膜，而神经细胞生长于三维条件下，细胞与细胞间相互紧密联系，形成一个三维整体。而传统的体外培养模型只能形成仅二维或仅三维的细胞生长形式，无法满足体外二维、三维交叉共培养的需求。

器官微流控芯片(organ on a chip)是微流控芯片的一个亚类，已被业界公认为当今对哺乳动物细胞及其微环境进行精准操控的主流平台。微流控芯片在体外构建模拟器官具有以下优势：1、微流控芯片内单元构件的微纳米尺寸能够同时容纳分子，细胞，组织，甚至器官；2、芯片特殊的流体精准操控体系使得它能同时测量物理量、化学量和生物量，兼有体积小、消耗低、高通量等特点；3、芯片内能够同时培养器官所包含的多种细胞，而且细胞的空间排列可以模仿器官的生理结构；4、它可以重建器官在体内的生理环境，比如流体剪切力、信号分子浓度梯度。可以说器官芯片从“组成”、“结构”和“环境”三方面对器官进行了模拟，仿真程度很高。目前，应用微流控技术进行各类器官模拟的工作已开展，但是将多个神经血管单元进行组装，模拟神经系统并对系统进行实时检测的工作还处于空白阶段。本发明首次将神经系统进行体外模拟，在基础生物学研究及医药研发中心具有极大的应用前景。

三、本发明(通用神经系统芯片)的应用

本通用神经系统芯片可模拟各类神经细胞、免疫细胞及内分泌细胞真实的体内情况，记录电位电流变化，了解调控机制，可用于神经生理、神经心理、病理、药理，以及相关食品、材料、器件的研究、研发以及临床与健康精准医学的转化和应用定制服务。具体涉及的疾病如下：

(一)脑、脊髓缺血等最常见、危重、疑难大脑疾病

脑卒中是目前危害人类健康最主要的疾病。在脑卒中以脑缺血-再灌注损伤最为常见。可导致患者意识、认知功能障碍，偏瘫，言语障碍等。严重影响患者的生活质量。脑缺血后梗死区与半暗带内神经细胞的功能以及损伤机制尚未完全明确，通过本神经系统芯片可模拟体内的缺血过程，同时分析不同细胞类型、以及下丘脑-垂体对脑缺血损伤的调控作用，寻求与脑缺血相关的致病机制及通路，在此基础上发现治疗的潜在靶点，设计或研发新的药物、提供新的治疗策略。类似的最常见、危重、疑难大脑疾病还包括烟雾病、闭锁综合征、脑出血、昏迷、植物人、癫痫、痴呆、糖尿病脑病、失眠、焦虑、抑郁、精神分裂症等。

(二)其它代表性重要问题

1、脑、脊髓外伤

脑脊髓外伤在于原发伤后，继发的神经损害是加重病情的重要因素。此时损伤部位血脑屏障开放，全身处于应激状态中，免疫系统则根据受伤的轻重及时间出现不同程度的抑制。这样神经-免疫-内分泌网络较正常生理状态下的情况完全不同。目前的脑脊髓外伤研究中，尤其是分子机制研究，尚无法完全模拟这种复杂的环境，包括血脑屏障开放、内分泌系统激活、免疫抑制等，而动物试验研究显然与人的情况有很大的区别。本通用神经系统芯片则可以很好地模拟这种细胞环境，探索外伤情况下神经细胞之间以及神经网络的变化规律，为神经系统损伤的急性期治疗和远期修复提供有前景的方案。同时也可更关注外伤患者的生理改变、心理需求，能够开发相应的药物或者其他辅助治疗手段，为外伤患者提供全面系统的治疗。

2、脑、脊髓肿瘤

脑脊髓肿瘤，尤其是胶质瘤、转移瘤等恶性肿瘤，目前仍是神经系统疾病的难题。其治疗效果差。高级别胶质瘤或转移瘤，无论手术切除程度，均容易复发或播散，成为神经科学领域的难题。以往单纯通过细胞培养、或者通过动物实验模拟肿瘤的生长环境与生物学特性显然不够全面。肿瘤细胞在神经系统复杂的环境中生长，与正常的神经细胞有着相互作用，并受到多重调控，因此其侵袭、转移、生长的能力也与多种因素有关，需要从神经网络的角度进行观察和探索。应用通用神经系统芯片，可模拟肿瘤细胞的真实生长方式，寻找其致病关键因素；同时帮助判断肿瘤复发、转移播散、预后、对放化疗的敏感性，也有助开发新型的化疗药物。

3、脑、脊髓功能预测与康复

中枢神经系统疾病的特征即可影响神经系统功能，神经系统功能的易损伤性、难恢复性给其治疗带来很大的困难，也成为神经科学领域的挑战。同时，神经系统功能的缺失，如意识、认知、运动、感觉等影响，对患者造成极大的功能障碍，降低生活质量，其治疗也给患者带来沉重的负担。如何评价预测脑、脊髓功能？如何有效的进行康复？这一切建立在了解神经网络具体机制的前提下，通过大数据影像收集、临床随访，结合本发明的通用神经系统芯片和神经网络的分子机制而得出，在此基础上形成基础和临床的双重网络。需要对其系统进行分析，加上与康复医学的合作，针对康复靶点进行治疗，或者研发相应药物或者辅助器具、开展相关的心理激励和辅导，努力改善各种原因导致的脑、脊髓功能障碍，提升脑、脊髓疾病诊治水平。

4、全麻机制的探索

全麻机制是目前人类尚未知晓的领域之一，全麻机制的探索是国内外多年来的热点难点。全麻机制对于精准调控临床麻醉中对患者全麻诱导、术中维持及苏醒过程，对于术中血压、心跳、呼吸、全身重要脏器的氧供特别是大脑组织的氧供、以及术后认知功能障碍问题的防治都有至关重要的意义。目前采用的研究手段主要是单纯细胞和动物实验，已经遇到瓶颈，通过本发明的通用神经系统芯片可模拟人体复杂神经网络相互作用的关系,使全麻分子机制的研究进入一个全新的阶段，为最终攻克难关提供了崭新的思路，同时也有助于开发新型的全麻药物。

发明内容

本发明提供了一种基于微流控芯片技术的通用神经系统芯片，首次将神经系统进行体外模拟，在基础生物学研究及医药研发中心具有极大的应用前景。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种通用神经系统芯片，该芯片主要包括六个各自独立但彼此紧密相关和连接并对外开放的神经血管单元，六个独立的神经血管单元可以实现神经-免疫-内分泌-微生态的广泛系统耦联。

所述的六个独立的神经血管单元包括两个环形单元A、B和四个矩形单元A、B、C、D，两个环形单元A、B对称设置，其端部之间设有两个矩形单元A、B，即两个环形单元A、B与两个矩形单元A、B组成类椭圆结构，其中心设有另外两个矩形单元C、D。所述的环形单元A、B的下层芯片腔室和矩形单元A、B的下层芯片腔室之间通过环形漏斗微槽连接，矩形单元A、B、C、D的下层芯片腔室之间通过矩形漏斗微槽连接，其中，环形漏斗微槽分布于环形单元下腔室底面，矩形漏斗微槽分布于两个矩形单元下腔室之间，漏斗微槽用于神经元轴突的物理分离和连接，促使神经元之间进行信息传递。所述的六个独立单元的下层芯片之间通过矩形漏斗微槽和环形漏斗微槽进行连通，多孔膜和漏斗微槽结构使六个独立的神经血管单元之间相互连通，模拟神经系统内多网络之间的功能连贯性。所述的矩形漏斗微槽长50-100μm、宽3-10μm、高3μm；环形漏斗微槽长500-950μm、宽3-10μm、高3μm。

所述的每个神经血管单元均包括上层芯片、下层芯片和中间多孔膜，上层芯片中培养的细胞产生的代谢物通过中层多孔膜渗透到下层芯片中，实现上下两层细胞培养体系的细胞非接触式信息交流。所述的上层芯片包括上层入口、上层腔室、上层出口；上层入口和上层出口通过上层腔室连通。所述的上层腔室高50-100μm、长300-600μm、宽100-300μm。所述的下层芯片包括下层入口、下层腔室、下层出口；下层入口和下层出口通过下层腔室连通。所述的下层芯片腔室高100-200μm、长300-600μm、宽100-300μm。所述的六个独立单元的上层芯片腔室和下层芯片腔室之间通过中间多孔膜隔开。多孔膜厚5-15μm、孔径为0.4μm、1μm、3μm、5μm。在芯片整体封接之后，上层芯片腔室和下层芯片腔室中心对齐，上层腔室略大于下层腔室。

所述的六个独立单元的上层芯片腔室上液面集成TEER微电极阵列及光/声信号输入、输出器件，液间集成分子氧/葡萄糖/pH等微纳监控器件，上层芯片腔室底面集成分子氧/葡萄糖/pH等微纳监控器件、过氧化氢传感器微电极阵列、电位传感器微电极阵列；其中，TEER微电极阵列用于检测血脑屏障是否完整，光/声信号输入、输出器件用于对细胞进行光电刺激及信号检测，分子氧/葡萄糖/pH等微纳监控器件用于检测细胞代谢产生的分子氧/葡萄糖浓度及培养液中的pH，过氧化氢传感器微电极阵列用于检测细胞代谢产生的过氧化氢进而监测细胞的命运与状态,电位传感器微电极阵列用于检测神经元产生的动作电位及神经元群产生的类脑电图场电位，进而提取神经元网络电位传递的信息。所述的下层芯片腔室上液面集成TEER微电极阵列、分子氧/葡萄糖/pH等微纳监控器件，液间集成TEER微电极阵列、分子氧/葡萄糖/pH等微纳监控器件，下层芯片腔室底面集成过氧化氢传感器微电极阵列、电位传感器微电极阵列；其中，TEER微电极阵列用于检测血脑屏障是否完整，分子氧/葡萄糖/pH等微纳监控器件用于检测细胞代谢产生的分子氧/葡萄糖浓度及培养液中的pH，过氧化氢传感器微电极阵列用于检测细胞代谢产生的过氧化氢进而监测细胞的命运与状态，电位传感器微电极阵列用于检测神经元产生的动作电位及神经元群产生的类脑电图场电位，进而提取神经元网络电位传递的信息。

一种通用神经系统芯片，六个神经血管单元可以实现意识、感觉、认知、躯体及/或内脏运动全身器官系统神经-免疫-内分泌-微生态生理、病理、药理、材料(包括药物、保健品、食品等研发材料)及/或器件(包括可延伸的仪器、装备研发)的广泛关联、检验或对比研究、评价与预测(包括精准医学个体化临床服务等)。

所述的通用神经系统芯片在使用时，首先将中层多孔膜与上层芯片进行不可逆的氧等离子体封接，并置于60℃-100℃烘箱加热10-30分钟；然后将下层芯片9直接等离子体封接在载玻片上；最后在下层芯片上表面进行等离子体处理后涂抹一薄层PDMS聚合物，将两层芯片直接对齐粘合固化，形成封闭的两层共培养芯片。细胞种植时，将大脑毛细血管内皮细胞种植到多孔膜上表面，多孔膜上下均有大脑血管内皮细胞完全培养液；待大脑毛细血管内皮细胞长满多孔膜上表面并且形成紧密连接时，将装置倒置，然后将神经胶质细胞悬液植于多孔膜下表面；待大脑毛细血管内皮细胞和神经胶质细胞共培养至神经胶质细胞基本长满多孔膜下表面时，将培养稳定的神经元植入芯片下腔室，从而形成间接共培养体系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用多层微流控芯片集成的方法，将多种细胞的培养单元结合，根据人脑神经系统的结构，将多种芯片模型组装在同一块芯片上，通过环形/矩形漏斗微槽建立联系，可以简便快捷地实现意识、感觉、认知、躯体及/或内脏运动全身器官系统神经-免疫-内分泌-微生态生理、病理、药理、材料(包括药物、保健品、食品等研发材料)及/或器件(包括可延伸的仪器、装备研发)的广泛关联、检验或对比研究、评价与预测(包括精准医学个体化临床服务等)，并且各个独立的单元可以进行有效分割，便于分别控制和观察。

(2)本发明具备独立的细胞培养腔室，腔室内通过不同的微纳器件集成可广泛实现相关研究与应用的信息采集与监控。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图及单个单元结构示意图；

图2为本发明的整体结构俯视图；

图3为本发明的微电极阵列结构示意图；

图4为本发明的局部结构侧视图；

图5为背景技术中具有向靶机构发出指令的传出系统图。

图中：1上层芯片入口；2上层芯片出口；3上层腔室；4上层芯片；5中层多孔膜；6下层芯片入口；7下层芯片出口；8下层腔室；9下层芯片；

10环形单元A；11环形单元B；12矩形单元A；13矩形单元B；14矩形单元C；15矩形单元D；16环形漏斗微槽；17矩形漏斗微槽；

18上层腔室上液面；19上层腔室下底面；20上层TEER微电极阵列；21、22、23上层过氧化氢传感器微电极阵列；24、25、26上层电位传感器微电极阵列；

27下层腔室下底面；28下层TEER微电极阵列；29、30、31下层过氧化氢传感器微电极阵列；32、33、34下层电位传感器微电极阵列；

35、36矩形单元中间层多孔膜、环形单元中间层多孔膜；37、38矩形单元上层芯片的入口、出口；39、40矩形单元下层芯片的入口、出口；41、42环形单元上、下层芯片的入口/出口；43、44矩形单元中间多孔膜上表面的大脑毛细血管内皮细胞、环形单元中间多孔膜上表面的大脑毛细血管内皮细胞；45、46、47矩形单元下层芯片中的投射神经元、灰质星形胶质细胞、中间神经元；48、49环形单元下层芯片中的少突胶质细胞、白质星形胶质细胞；50连接矩形单元与环形单元的环形漏斗微槽侧视图。

图3中C/N代表对电极和负极；R代表参比电极。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细说明，但并不因此而限制于本发明。

实施例1

一种通用神经系统芯片，如图1所示：一种通用神经系统芯片主要包括六个独立的神经血管单元，每个单元结构类似，包括上层芯片4、中层多孔膜5和下层芯片9；中层多孔膜5上具有微孔，上层芯片中培养的细胞产生的代谢物可以通过微孔渗透到下层芯片中，可实现上下两层细胞培养体系的细胞非接触式信息交流与相互影响。

所述的六个独立单元的上层芯片均包括上层芯片入口1、出口2和上层腔室3，上层腔室3作为细胞腔室；入口1和出口2通过细胞腔室连通。

所述的六个独立单元的下层芯片包括下层入口6、出口7和下层腔室8，下层腔室8作为细胞腔室；入口6和出口7通过细胞腔室连通。

如图2所示：所述六个独立单元包括两个环形单元A10、B11，四个矩形单元A12、B13、C14、D15。环形单元A10、B11与两个矩形单元A12、B13组成类椭圆形状，其中心设有另外两个矩形单元C14、D15。环形单元A10、B11的下层芯片腔室和矩形单元A12、B13的下层芯片腔室之间通过环形漏斗微槽17连接；矩形单元A12、B13、C14、D15的下层芯片腔室之间通过矩形漏斗微槽18连接。环形漏斗微槽位于环形单元A10、B11的下层芯片腔室底部；环形漏斗微槽位于矩形单元A12、C14下层芯片腔室底部之间，矩形单元A12、D15下层芯片腔室底部之间，矩形单元C14、D15下层芯片腔室底部之间，矩形单元C14、B13下层芯片腔室底部之间，矩形单元D15、B13下层芯片腔室底部之间。

如图3所示：所述六个单元的上层腔室上液面18集成TEER微电极阵列20，电极呈条状平行排列；上层腔室下底面28集成过氧化氢传感器微电极阵列29-31、电位传感器微电极阵列32-34，过氧化氢微电极阵列与电位传感器微电极阵列交叉平行排列；下层腔室下底面19集成TEER微电极阵列21、过氧化氢传感器微电极阵列22-24、电位传感器微电极阵列25-27，TEER微电极阵列与上腔室上液面TEER微电极阵列相对应，过氧化氢微电极阵列与电位传感器微电极阵列交叉平行排列；C/N代表对电极和负极；R代表参比电极。

如图4所示：51、52、53、54分别为所述六个单元中矩形单元上层芯片侧视图、矩形单元下层芯片侧视图、环形单元上层芯片侧视图、环形单元下层芯片侧视图；35、36分别是矩形单元中间层多孔膜、环形单元中间层多孔膜；37、38分别为矩形单元上层芯片的入口、出口；39、40分别为矩形单元下层芯片的入口、出口；41、42分别为环形单元上、下层芯片的入口/出口；43、44分别为矩形单元中间多孔膜上表面的大脑毛细血管内皮细胞、环形单元中间多孔膜上表面的大脑毛细血管内皮细胞；45、46、47分别为矩形单元下层芯片中的投射神经元、灰质星形胶质细胞、中间神经元；48、49分别为环形单元下层芯片中的少突胶质细胞、白质星形胶质细胞；50为连接矩形单元与环形单元的环形漏斗微槽侧视图。

所述的通用神经系统芯片在使用时，首先将中层多孔膜5与上层芯片4进行不可逆的氧等离子体封接，并置于80度烘箱加热20分钟，然后将下层芯片9直接等离子体封接在一块合适大小的载玻片上，最后在下层芯片9上表面进行等离子体处理后涂抹一薄层PDMS聚合物，将两层芯片直接对齐粘合固化，形成封闭的两层共培养芯片。细胞种植时，将大脑毛细血管内皮细胞种植到多孔膜上表面，多孔膜上下均有大脑血管内皮细胞完全培养液；待大脑毛细血管内皮细胞长满多孔膜上表面并且形成紧密连接时，将装置倒置，然后将神经胶质细胞悬液植于多孔膜下表面；待大脑毛细血管内皮细胞和神经胶质细胞共培养至神经胶质细胞基本长满多孔膜下表面时，将培养稳定的神经元植入芯片下腔室，从而形成间接共培养体系。

本发明通过中层多孔膜5建立了每个神经血管单元上下两层细胞间的非接触式信息交流，通过环形漏斗微槽16和矩形漏斗微槽17建立了六个神经血管单元中不同神经元之间的接触式信息传递，可以作为研究神经网络相互关系以及药物筛选和毒性评价的良好平台。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种通用神经系统芯片，其特征在于，所述的芯片主要包括六个各自独立但彼此紧密相关和连接并对外开放的神经血管单元，六个独立的神经血管单元可以实现神经-免疫-内分泌-微生态的广泛系统耦联；所述的六个独立的神经血管单元包括两个环形单元和四个矩形单元，两个环形单元A、B对称设置，其端部之间设有两个矩形单元A、B，另外两个矩形单元C、D设于两个环形、两个矩形单元围成区域的中部；所述的环形单元A、B和矩形单元A、B的下层芯片腔室之间通过环形漏斗微槽连通，矩形单元A、B、C、D的下层芯片腔室之间通过矩形漏斗微槽连通，漏斗微槽用于神经元轴突的物理分离和连接，促使神经元之间进行信息传递；

所述的每个神经血管单元均包括上层芯片、下层芯片和中间多孔膜，上层芯片中培养的细胞产生的代谢物通过中层多孔膜渗透到下层芯片，实现上下两层细胞培养体系的细胞非接触式信息交流；所述的上层芯片包括上层入口、上层腔室、上层出口，上层入口和上层出口通过上层腔室连通；所述的下层芯片包括下层入口、下层腔室、下层出口，下层入口和下层出口通过下层腔室连通；在芯片整体封接之后，上层腔室和下层腔室中心对齐，上层腔室大于下层腔室；

所述的六个独立的神经血管单元的上层芯片腔室的上液面集成TEER微电极阵列及光/声信号输入、输出器件，液间集成分子氧/葡萄糖/pH微纳监控器件，底面集成分子氧/葡萄糖/pH微纳监控器件、过氧化氢传感器微电极阵列、电位传感器微电极阵列；所述的下层芯片腔室的上液面集成TEER微电极阵列、分子氧/葡萄糖/pH微纳监控器件，液间集成TEER微电极阵列、分子氧/葡萄糖/pH微纳监控器件，底面集成过氧化氢传感器微电极阵列、电位传感器微电极阵列；其中，TEER微电极阵列用于检测血脑屏障是否完整，光/声信号输入、输出器件用于对细胞进行光电刺激及信号检测，分子氧/葡萄糖/pH微纳监控器件用于检测细胞代谢产生的分子氧/葡萄糖浓度及培养液中的pH，过氧化氢传感器微电极阵列用于检测细胞代谢产生的过氧化氢进而监测细胞的命运与状态,电位传感器微电极阵列用于检测神经元产生的动作电位及神经元群产生的类脑电图场电位，提取神经元网络电位传递的信息。

2.根据权利要求1所述的一种通用神经系统芯片，其特征在于，所述的矩形漏斗微槽长50-100μm、宽3-10μm、高3μm；环形漏斗微槽长500-950μm、宽3-10μm、高3μm。

3.根据权利要求1所述的一种通用神经系统芯片，其特征在于，所述的上层芯片的上层腔室高50-100μm、长300-600μm、宽100-300μm。

4.根据权利要求1所述的一种通用神经系统芯片，其特征在于，所述的下层芯片的下层腔室高100-200μm、长300-600μm、宽100-300μm。

5.根据权利要求1所述的一种通用神经系统芯片，其特征在于，所述的多孔膜厚5-15μm、孔径为0.4μm、1μm、3μm、5μm。

6.一种如权利要求1所述的通用神经系统芯片的使用方法，其特征在于，包括以下内容：

使用时，首先将中层多孔膜与上层芯片进行不可逆的氧等离子体封接，并置于60℃-100℃烘箱加热10-30分钟；然后将下层芯片直接等离子体封接在载玻片上；最后在下层芯片上表面进行等离子体处理后涂抹一层PDMS聚合物，将两层芯片对齐粘合固化，形成封闭的两层共培养芯片；

细胞种植时，首先将大脑毛细血管内皮细胞种植到多孔膜上表面，多孔膜上下均有大脑血管内皮细胞完全培养液；待大脑毛细血管内皮细胞长满多孔膜上表面并且形成紧密连接时，将装置倒置；然后将神经胶质细胞悬液植于多孔膜下表面；待大脑毛细血管内皮细胞和神经胶质细胞共培养至神经胶质细胞基本长满多孔膜下表面时，将培养稳定的神经元植入芯片下腔室，从而形成间接共培养体系。

Images