The blood–brain barrier (BBB) represents the tightest endothelial barrier within the cardiovascular system characterized by very low ionic permeability. Our aim was to describe the setups, electrodes, and instruments to measure electrical resistance across brain microvessels and culture models of the BBB, as well as critically assess the influence of often neglected physical and technical parameters such as temperature, viscosity, current density generated by different electrode types, surface size, circumference, and porosity of the culture insert membrane. We demonstrate that these physical and technical parameters greatly influence the measurement of transendothelial electrical resistance/resistivity (TEER) across BBB culture models resulting in severalfold differences in TEER values of the same biological model, especially in the low-TEER range. We show that elevated culture medium viscosity significantly increases, while higher membrane porosity decreases TEER values. TEER data measured by chopstick electrodes can be threefold higher than values measured by chamber electrodes due to different electrode size and geometry, resulting in current distribution inhomogeneity. An additional shunt resistance at the circumference of culture inserts results in lower TEER values. A detailed description of setups and technical parameters is crucial for the correct interpretation and comparison of TEER values of BBB models.

The application of lab-on-a-chip technologies in in vitro cell culturing swiftly resulted in improved models of human organs compared to static culture insert-based ones. These chip devices provide controlled cell culture environments to mimic physiological functions and properties. Models of the blood-brain barrier (BBB) especially profited from this advanced technological approach. The BBB represents the tightest endothelial barrier within the vasculature with high electric resistance and low passive permeability, providing a controlled interface between the circulation and the brain. The multi-cell type dynamic BBB-on-chip models are in demand in several fields as alternatives to expensive animal studies or static culture inserts methods. Their combination with integrated biosensors provides real-time and noninvasive monitoring of the integrity of the BBB and of the presence and concentration of agents contributing to the physiological and metabolic functions and pathologies. In this review, we describe built-in sensors to characterize BBB models via quasi-direct current and electrical impedance measurements, as well as the different types of biosensors for the detection of metabolites, drugs, or toxic agents. We also give an outlook on the future of the field, with potential combinations of existing methods and possible improvements of current techniques.

The accumulation of proteins in filter membranes limits the efficiency of filtering technologies for cleaning wastewater. Efforts are ongoing to coat commercial filters with different materials (such as titanium dioxide, TiO₂) to reduce the fouling of the membrane. Beyond monitoring the desired effect of the retention of biomolecules, it is necessary to understand what the biophysical changes are in water-soluble proteins caused by their interaction with the new coated filter membranes, an aspect that has received little attention so far. Using spin-label electron paramagnetic resonance (EPR), aided with native fluorescence spectroscopy and dynamic light scattering (DLS), here, we report the changes in the structure and dynamics of bovine serum albumin (BSA) exposed to TiO₂ (P25) nanoparticles or passing through commercial polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes coated with the same nanoparticles. We have found that the filtering process and prolonged exposure to TiO₂ nanoparticles had significant effects on different regions of BSA, and denaturation of the protein was not observed, neither with the TiO₂ nanoparticles nor when passing through the TiO₂-coated filter membranes.

Accumulation of proteins in filter membranes limits the efficiently of filtering technologies for cleaning wastewater. Efforts are ongoing to coat commercial filters with different materials (such as titanium-dioxide, TiO2) in order to reduce the fouling of the membrane. Beyond monitoring the desired effect of retention of biomolecules, it is demanding to understand what are the biophysical changes in water-soluble proteins caused by interacting with the new coated filter membranes, an aspect that has received little attention so far. Using spin label electron paramagnetic resonance (EPR), aided with native fluorescent spectroscopy and dynamic light scattering (DLS), here we report the changes in the structure and dynamics of bovine serum albumin (BSA) exposed to TiO2 (P25) nanoparticles or passing through commercial polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes coated with the same nanoparticles. We have found that the filtering process and prolongued exposure to TiO2 nanoparticles had significant effects on different regions of BSA, and denaturation of the protein was not observed, neither with TiO2 nanoparticles nor by pressing through TiO2-coated filter membranes.

A homeosztázis fenntartásában és a gyógyszerbejutás és felszívódás folyamataiban rendkívül fontos szerepet játszanak az epitél és endotél sejtekből felépülő biológiai gátak. Élettani funkciójuk, transzportfolyamataik megértéséhez, illetve gyógyszerhatások és betegségek vizsgálatában a sejttenyészetes modellek kiemelkedően fontosak. Az epitél és endotél rétegek szoros kapcsolatát in vivo a sejtek közötti speciális kapcsolófehérjék biztosítják. Egy ilyen szorosan záródó sejtréteg jellemzői a magas elektromos ellenállás és az alacsony passzív permeabilitás. Ezek a fizikai és fizikai-kémiai paraméterek pontos jellemzést adnak a biológiai gát integritásáról és funkciójáról. A sejtek közötti kapcsolat szorosságát az ionok sejtrétegen keresztüli átjárhatóságával jellemezhetjük, az ezt leíró mennyiség a transz-endoteliális/epiteliális elektromos ellenállás (TEER). A passzív permeabilitás kis méretű lipidoldékony vagy vízoldékony, elektromosan semleges vagy töltéssel rendelkező molekulák sejteken keresztüli, illetve sejtek közötti átjutását jellemzi. A sejtfelszín erősen negatív töltése, amely a sejtfelszíni lipidösszetételből és a glikokalix proteoglikán összetevőiből adódik fontos tényezője a gátfunkciónak. Azonban a biológiai gátak fizikai tulajdonságai közül ez a legkevésbé vizsgált terület. Az elmúlt 10 évben a biológiai gátak modellezésére a statikus tenyésztőbetétek mellett megjelentek a dinamikus csiplaboratóriumi (lab-on-a-chip, LOC) eszközök is. A sejtek közötti kölcsönhatások, molekuláris útvonalak, betegségek és gyógyszerhatások vizsgálatára fejlesztett LOC eszközök modern mérnöki tervezés eredményei. Segítségükkel lehetőségünk nyílik a folyadékáramlás hatásainak vizsgálatára az előbb említett élettani folyamatok tanulmányozására. A LOC eszközök jelentősége abban rejlik, hogy pontosan beállítható környezetet biztosítanak a sejtek szaporodásához, növekedéséhez, és segítségükkel a gátfunkció kialakulása és változásai jól nyomon követhetőek. A statikus tenyésztőbetéten nevelt, szorosan záródó, egysejtréteget alkotó epitél és endotél sejtkultúrák széles körben elterjedt tüdő-, bél- és vér-agy gát in vitro modellek. A biológiai barrierek modellezésére használt biochipek az elmúlt tizenöt évben robbanásszerű fejlődésen mentek keresztül. Nagy előnyük, hogy a felépítésük és a mérési lehetőségek az adott vizsgálathoz igazíthatók.Célunk volt egy sokoldalúan felhasználható eszköz fejlesztése, ami különböző biológiai gátak modellezésére és így különböző célú felhasználásra alkalmas. Emellett alkalmas a fontos fizikai paraméterek, úgymint TEER és permeabilitás nyomon követésére. A sejtfelszín negatív töltése fontos védelmi feladatot lát el a biológiai gátak esetében. Az erek falát alkotó endotél erős negatív töltésű sejtfelszíni glycocalyxszal rendelkezik, melynek fontos szerepe van a keringési rendszer védelmében és mikrobiális fertőzések elleni védekezésben. A felszín elektromos tulajdonságainak kvantitatív jellemzése ezért nélkülözhetetlen az élettani folyamatokban és betegségekben betöltött szerepének jobb megértéséhez. Kísérleteink során ezért további célunk volt a felszíni töltés objektív mérési módszerének kifejlesztése egysejtrétegeken.

For advanced biomedical research, complex, well-described human blood-brain barrier (BBB) models are crucial for studying central nervous system pathologies and brain targeting of nanotherapeutics. Our aim was to establish and characterize a complex lab-on-a-chip (LOC) system integrating a BBB model with neural organoids (NO). We optimized the conditions for BBB-NO models under static and dynamic circumstances. The combination of a human stem cell-derived BBB co-culture model with human midbrain organoids in a microfluidic LOC allowed the observation of BBB and neural tissue changes and the separate analysis of the barrier and brain units. The LOC design enabled phase contrast and fluorescent microscopy on the whole brain endothelial culture surface, barrier integrity and permeability measurements across the BBB model, and molecule passage into NOs. BBB-specific endothelial morphology, gene and protein expression, and good barrier integrity were demonstrated, corroborating the strength of the LOC engineering and cellular design. The transport of targeted nanoparticles across the BBB model followed by their entry to neural organoids validated the barrier integrity and transporter functionality of the dynamic integrated complex model. As a proof-of-concept experiment to confirm the translational value of the BBB-NO model integrated in the LOC device, we examined a clinically used hyperosmolar iodinated contrast agent, iopamidol, with confirmed neurological side effects. We corroborated that iopamidol induces transient BBB dysfunction and neural effects in the complex system, not only validating the complex dynamic BBB-NO model but also pointing to the necessity to study BBB changes together with NO functions.