帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一种进行性神经退行性疾病，黑质多巴胺能神经元的持续丢失是其重要病理特征。尽管近年来针对PD发病机制的研究不断深入，现有临床治疗仍主要集中于多巴胺补充、神经保护及非运动症状改善，尚缺乏能够有效阻止或逆转神经元丢失的疾病修饰治疗；不少重金投入的相关药物也在临床试验后宣告失败。小胶质细胞介导的神经炎症在PD神经元损伤和疾病进展中发挥重要作用；然而，现有体外细胞模型、动物模型及类器官等研究体系，仍难以在可控的体外微环境中有效模拟“神经炎症诱导神经退行”这一关键病理过程，从而限制了对相关疾病机制的研究以及针对神经炎症的候选药物评价。因此，建立能够重现小胶质细胞炎症与神经元损伤之间相互作用的体外模型，对于深入研究PD病理机制及筛选潜在的神经炎症靶向药物具有重要意义。

针对这一问题，复旦大学丁建东教授团队结合生物材料的生物学效应与微流控技术，将聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚多巴胺（PDA）纳米颗粒和Matrigel等高分子材料与人源神经样细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞相结合，构建了一个多腔室、微柱分隔的PD-on-a-chip模型。团队发现来源于多巴胺的PDA纳米颗粒可以模拟难以获得的人体神经黑色素，被用来诱导人源的小胶质细胞发生炎症反应，并通过微柱阵列实现不同细胞群体的空间分隔，同时允许炎症因子在腔室之间传递，从而成功地在体外模拟了小胶质细胞炎症逐步诱导邻近神经样细胞退行性损伤的过程。在此基础上，团队进一步从炎症反应、氧化应激、铁离子积累、神经元表型及α-synuclein异常等多个方面对模型进行表征，并通过候选药物筛选验证其应用潜力，为帕金森病神经炎症机制研究及相关药物的体外评价提供了新的研究平台。

图1. 炎症诱导的体外帕金森病疾病模型设计。（a）神经黑色素诱导小胶质细胞炎症并促进神经退行性损伤的机制；（b）PD-on-a-chip芯片结构及细胞分布；（c）PDA纳米颗粒作为神经黑色素类似物的体外构建示意图。

丁建东团队首先从PD病理过程中一个具有代表性的环节入手。多巴胺能神经元发生损伤后，神经黑色素可从受损细胞中释放，并作用于周围小胶质细胞，诱导炎症反应。研究团队据此选择来源于多巴胺的聚多巴胺纳米颗粒作为神经黑色素的固态类似物。

PDA纳米颗粒通过多巴胺氧化交联制备获得。电镜观察显示，所得颗粒呈较均一的球形，粒径约为200 nm；EDS和XPS进一步确认其主要元素组成与多巴胺来源相符。细胞实验表明，在5 mg/mL及以下浓度范围内，PDA对小胶质细胞未表现出明显细胞毒性，而能够显著提高炎症相关标志物CD68的表达。而为了区分颗粒本身的物理效应和PDA材料特异性的生物学效应，研究进一步采用粒径相近的二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒作为对照。在相同培养条件下，SiO₂并未引起明显的CD68或IL-6升高；同时，荧光标记PDA纳米颗粒可在小胶质细胞内与溶酶体发生共定位。这些结果支持PDA纳米颗粒在该体系中能够较特异地诱导小胶质细胞炎症，如图2所示。

图2. PDA纳米颗粒的表征及其诱导小胶质细胞炎症的验证。（a-b）合成的PDA纳米颗粒形貌；（c-d）EDS元素分布及XPS分析PDA纳米颗粒的元素组成；（e-f）PDA及对照组SiO₂处理后小胶质细胞CD68表达水平；（g）PDA纳米颗粒被小胶质细胞摄取及细胞内溶酶体共定位照片。

在确定PDA能够诱导小胶质细胞炎症后，丁建东团队设计了一个多腔室微流控芯片。芯片中央腔室用于共同培养经诱导分化的神经样细胞和星形胶质细胞，两侧腔室用于培养小胶质细胞。不同腔室之间由微柱阵列分隔，使不同细胞间保持空间隔离，同时允许营养物质和细胞因子跨腔室扩散，加工所依据的最优微柱间距通过有限元方法模拟计算得到。随后在芯片两侧腔室输入PDA纳米颗粒，结果显示，随着培养时间延长，PDA处理组中央腔室的细胞活性逐渐下降，而仅向无细胞腔室加入PDA的对照组未出现相同变化，提示神经元细胞损伤主要来自炎症细胞介导的间接作用。

图3. PDA纳米颗粒的表征及其诱导小胶质细胞炎症的验证。（a-b）合成的PDA纳米颗粒形貌；（c-d）EDS元素分布及XPS分析PDA纳米颗粒的元素组成；（e-f）PDA及对照组SiO₂处理后小胶质细胞CD68表达水平；（g）PDA纳米颗粒被小胶质细胞摄取及细胞内溶酶体共定位照片。

进一步的Nissl染色、TUNEL染色和流式细胞术分析显示，神经样细胞随时间出现Nissl小体减少以及凋亡、坏死细胞比例增加。与此同时，Fluo-4 AM实时钙成像显示，模型中的神经样细胞出现更加明显的Ca²⁺活动波动，并出现较高比例的高活性细胞。这些结果从细胞存活、细胞死亡和动态功能活动多个层面表明，小胶质细胞炎症能够诱导邻近神经样细胞发生进行性损伤。

图4. PD-on-a-chip芯片内神经元细胞活性及钙动态的影响。（a）PD-on-a-chip芯片结构及细胞培养情况；（b）神经样细胞Nissl染色；（c）TUNEL染色；（d）流式细胞术分析细胞凋亡及坏死；（e-f）神经样细胞Ca²⁺动态及钙瞬变成像；（g）神经元Ca²⁺活动水平及钙瞬变分布。

为了进一步判断该模型是否能够重现PD相关的神经退行性变化，丁建东团队对炎症因子、氧化应激、铁稳态以及经典PD标志物进行了系统分析。首先，小胶质细胞活化后，培养体系中的NO、IL-1β和TNF-α水平随时间升高，表明模型形成了持续增强的炎症微环境。与此同时，中央腔室神经样细胞中的Fe²⁺信号逐渐增强，ROS水平升高而SOD水平下降，提示炎症环境伴随氧化应激和铁稳态紊乱。神经元相关标志物TH和Nurr1则随时间降低，提示多巴胺能神经样细胞表型发生退化。在α-synuclein方面，细胞外α-synuclein随时间增加，而细胞内总α-synuclein水平没有明显变化；与之相对应，病理性α-synuclein磷酸化位点Ser129（pS129）的信号显著累积。上述结果共同构成了从炎症反应、氧化应激到神经元表型改变和α-synuclein异常的一组连续病理表型，说明该芯片能够在体外重现PD中炎症诱导神经退行性损伤的重要特征。

图5. 芯片内细胞的帕金森病相关生物标志物。（a）炎症小胶质细胞诱导神经退行性变化的机制示意图；（b-c）芯片内小胶质细胞活性及细胞内NO水平；（d）细胞外炎症因子IL-1β和TNF-α水平；（e）细胞内Fe²⁺水平；（f-g）神经样细胞ROS和SOD水平；（h-i）神经样细胞TH和Nurr1表达；（j）细胞外α-synuclein水平；（k）细胞内α-synuclein表达；（l）α-synuclein pS129表达及免疫荧光染色。

在建立疾病表型后，研究团队进一步将该芯片用于候选药物筛选。研究选取了四种作用机制不同的候选化合物，包括钙通道阻滞剂Isradipine、MAO-B抑制剂Selegiline、炎症抑制化合物P7C3以及神经保护药物Fabomotizole。在小胶质细胞被PDA激活后加入候选药物，并通过中央腔室细胞活性评价药物是否能够挽救受损神经样细胞。

结果显示，在所测试的四种候选化合物中，仅P7C3能够明显挽救神经样细胞，其EC50约为2.5 μM。进一步分析显示，2.5 μM P7C3处理后，培养体系中的IL-1β和TNF-α水平均低于未经处理的炎症小胶质细胞组。该结果与模型所模拟的“炎症驱动神经损伤”机制相吻合，从功能层面验证了该PD-on-a-chip用于初步筛选抗神经炎症候选药物的可行性。

图6. 基于PD-on-a-chip模型的体外候选药物筛选。（a）现有抗帕金森病药物的主要作用方式；（b）已上市抗帕金森病药物及其作用靶点或药理机制；（c）候选药物的基本信息；（d）基于PD-on-a-chip模型的药物筛选实验流程；（e-f）不同候选药物及不同浓度处理后神经样细胞和星形胶质细胞的细胞活性。

该研究的核心特点并非简单地将多种细胞进行共培养，而是将疾病相关的材料因素、细胞组成和微尺度空间结构共同纳入模型设计。PDA纳米颗粒承担神经黑色素类似物和炎症刺激源的作用；PDMS构成多腔室微流控结构；Matrigel为中央腔室中的三维细胞培养提供支持。三类高分子材料与三类人源细胞在微尺度空间中的组合，使研究者能够在保持细胞空间隔离的同时，观察细胞因子介导的旁分泌作用。研究还指出，与传统可溶性炎症刺激物相比，PDA纳米颗粒具有固态、颗粒化的特点，更接近神经黑色素的物理形态，并可避免刺激物直接扩散至神经细胞而产生难以区分的直接毒性。因此，该模型为研究小胶质细胞炎症如何驱动神经元损伤提供了一个材料和微流控工程相结合的实验体系。

总体而言，该研究首次建立了一个由PDA纳米颗粒、PDMS微流控芯片、Matrigel以及人源神经样细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞共同构成的PD-on-a-chip模型。该体系以PDA纳米颗粒诱导小胶质细胞炎症，通过微柱阵列允许炎症因子跨腔室扩散，并最终在神经样细胞中形成包括氧化应激、铁稳态紊乱、TH/Nurr1下降以及α-synuclein异常在内的PD相关表型。候选药物实验也表明，该模型能够用于针对神经炎症机制的初步药物筛选。

研究工作以“A biomaterial-cell model of inflammation-induced neurodegeneration of Parkinson’s disease”为题发表在Cell子刊Cell Biomaterials上。复旦大学高分子科学系暨聚合物分子工程全国重点实验室博士毕业生于悦为论文第一作者，其导师、全国重主任丁建东教授为论文通讯作者。丁建东教授课题组的其他部分成员以及复旦大学生命科学学院鲁伯埙教授、复旦大学附属华山医院王坚教授及郁文博老师等为共同作者。

论文信息：Yu Y, Xue H, Wang H, Fu Y, Zhang Y, Yu W, Yu L, Wang J, Lu B, Ding J*. A biomaterial-cell model of inflammation-induced neurodegeneration of Parkinson's disease. Cell Biomaterials 2026;2(8),100298.

原文链接：https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00289-2