微流控技術(shù)是一種通過(guò)微小的通道和微型裝置對(duì)流體進(jìn)行精確操控和分析的技術(shù)。它是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的一種重要的生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要性。它在高通量分析、個(gè)性化醫(yī)療、細(xì)胞篩選等方面有著巨大的潛力，Aigtek安泰電子今天就將為大家分享一篇微流控領(lǐng)域研究成果，一起接著往下看吧~

　　隨著三維器官模型在模擬人體于藥物和化學(xué)物質(zhì)作用下的反應(yīng)的精確度不斷獲得肯定，三維器官芯片的熱度也不斷攀升。然而器官芯片現(xiàn)有的問(wèn)題也非常多。首先，現(xiàn)有器官芯片，芯片上的器官仍然缺乏重建活體組織的三維結(jié)構(gòu)和相關(guān)細(xì)胞的空間組織的能力；其次，用于微芯片設(shè)計(jì)的生物惰性聚合物材料，盡管提供了細(xì)胞附著和生長(zhǎng)的支持，但不能代表原生ECM的晶格結(jié)構(gòu)和剛度；此外，現(xiàn)有芯片還忽略了ECM基質(zhì)晶格中上皮細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞之間的相互作用，以及空氣暴露和拉伸等因素對(duì)誘導(dǎo)細(xì)胞分化的影響----這些因素對(duì)于皮膚和肺泡等組織來(lái)說(shuō)是誘導(dǎo)細(xì)胞最終分化的必要條件。目前許多器官芯片都只是在3D表面上的2D共培養(yǎng)，而不是3D器官型培養(yǎng)，并且不包括基質(zhì)和/或調(diào)節(jié)細(xì)胞在體內(nèi)所受機(jī)械力的成分。

近期， 美國(guó)著名器官芯片研發(fā)公司Emulate, Inc.的Christopher D. Hinojosa，在Biomaterials上發(fā)表了題為A novel organ-chip system emulates three-dimensional architecture of the human epithelia and the mechanical forces acting on it 的文章。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型皮膚/肺泡組織器官芯片。該芯片具有開(kāi)蓋設(shè)計(jì)，能夠在施加機(jī)械力的同時(shí)，用混合了間充質(zhì)細(xì)胞的天然ECM水凝膠, 為細(xì)胞提供剛度適宜的支持。

　　該芯片由四層PDMS組成（圖1），其中最底部是一片螺旋形的微流控芯片，截面長(zhǎng)600um,高400u，用于種植血管內(nèi)皮細(xì)胞，模擬血管。螺旋型的結(jié)構(gòu)有助于增加其與上層的接觸面積，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)能更充分的交換。倒數(shù)第二層是一層50um厚的多孔薄膜，孔徑7um,很好的模擬了血管的內(nèi)彈性膜結(jié)構(gòu)。正數(shù)第二層主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)空腔，直徑6mm,高度4mm，主要用于培養(yǎng)細(xì)胞外基質(zhì)及相應(yīng)皮膚或肺組織細(xì)胞。最上面一層也含有一個(gè)微流控流道，組裝后可為第二層的空腔提供流動(dòng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或施加剪切力。整體來(lái)看，底部三層是緊密固定的，而頂部的第四層則是可拆卸的，經(jīng)由特制的夾具固定在另外三片芯片上。

　　圖1開(kāi)頂芯片設(shè)計(jì)原理圖

　　除了傳統(tǒng)微流控結(jié)構(gòu)以外，第二層腔體周圍還環(huán)繞著一圈圖1C中由深灰色標(biāo)識(shí)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)。這層結(jié)構(gòu)是空心的，連接著一個(gè)真空氣泵。控制氣泵規(guī)律性的抽出氣動(dòng)空腔中的氣體，就能帶動(dòng)空腔及期內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)周期性的拉伸。通過(guò)對(duì)開(kāi)頂芯片真空通道施加負(fù)壓能產(chǎn)生0~15%的循環(huán)應(yīng)變，幅值為0~?90kPa，頻率為0.2Hz（圖2）。

　　圖2開(kāi)頂芯片的拉伸

　　在倒數(shù)第三層空腔內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)層的表面，團(tuán)隊(duì)還用一個(gè)刻有微圖案的印章塑造了細(xì)胞外基質(zhì)表面的圖案（圖3）。在細(xì)胞外間質(zhì)凝固過(guò)程中外置印章這一做法，充分發(fā)揮了芯片頂部可打開(kāi)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)添加這一表面微圖案的小細(xì)節(jié)，則更貼切的模擬了人體內(nèi)自然狀態(tài)下上皮于細(xì)胞間質(zhì)界面形態(tài)。細(xì)胞外間質(zhì)層主要由基質(zhì)等效ECM混合物使用牛I型膠原蛋白溶液制備,中間再視器官模型中上成纖維細(xì)胞或平滑肌細(xì)胞，用印章壓制成2mm厚(皮膚組織)或200um厚（肺泡組織）的膠狀結(jié)構(gòu)。

　　圖3開(kāi)頂芯片細(xì)胞基質(zhì)層表面微圖案制作

　　考慮到內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)上皮細(xì)胞的成長(zhǎng)有著重要的作用，器官芯片的底部螺旋流道中可以根據(jù)芯片功能選擇種上相應(yīng)的內(nèi)皮細(xì)胞。在流動(dòng)的培養(yǎng)基作用下培養(yǎng)7-15天，螺旋流道里就能形成單層致密的由內(nèi)皮細(xì)胞組成的脈管系統(tǒng)。圖4以及圖5b就對(duì)流道內(nèi)內(nèi)皮細(xì)胞的性質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)。同時(shí)圖5還檢測(cè)了腔體內(nèi)上皮細(xì)胞的成長(zhǎng)狀況，驗(yàn)證了成熟表皮層的形成。

　　圖4開(kāi)頂肺泡芯片血管腔內(nèi)皮細(xì)胞特性

　　圖5開(kāi)頂皮膚芯片細(xì)胞特性

　　至于肺泡芯片，該團(tuán)隊(duì)也對(duì)腔體內(nèi)的肺泡上皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了組織切片檢測(cè)（圖6）。切片的組織學(xué)分析證實(shí)了兩種表型明顯的細(xì)胞類型——I型肺細(xì)胞和ii型肺細(xì)胞的存在。

　　圖6開(kāi)頂肺泡芯片上皮細(xì)胞特征

　　分別驗(yàn)證了各個(gè)區(qū)間的細(xì)胞狀態(tài)后，該團(tuán)隊(duì)又試圖評(píng)估該模型是否能實(shí)現(xiàn)間質(zhì)與上皮的相互作用，并捕捉三個(gè)芯片間隔之間的串?dāng)_。為此，團(tuán)隊(duì)用脂多糖對(duì)開(kāi)頂肺泡芯片做了一個(gè)脂多糖（LPS）炎癥檢測(cè)。即使在沒(méi)有免疫細(xì)胞的情況下，脂多糖也會(huì)引發(fā)上皮的炎癥反應(yīng)。在用LPS處理開(kāi)頂肺泡芯片后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞上的炎癥表面標(biāo)記物ICAM-1上調(diào)，經(jīng)免疫組化顯示，芯片血管通道流出物中炎癥介質(zhì)IL-6、IL-8和MPC-1水平都有升高（圖7）。這些數(shù)據(jù)表明，在開(kāi)放頂部芯片的三個(gè)不同的細(xì)胞層之間的功能確實(shí)是互連并相關(guān)的。

　　圖7開(kāi)頂肺泡芯片LPS炎癥反應(yīng)

　　為了進(jìn)一步證實(shí)肺泡上皮層和血管通道之間的相互影響，該團(tuán)隊(duì)又用含CD41標(biāo)記的血小板的全血灌注血管通道15分鐘，并將上皮暴露于LPS下，然后，通過(guò)實(shí)時(shí)成像跟蹤標(biāo)記血小板的運(yùn)動(dòng)及其與內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與體內(nèi)狀態(tài)類似，由于暴露于LPS模擬的血管微環(huán)境中的炎癥會(huì)導(dǎo)致血小板與內(nèi)皮細(xì)胞的顯著結(jié)合。這些發(fā)現(xiàn)表明，開(kāi)頂肺泡芯片可用于具體研究病理環(huán)境下的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用，評(píng)估藥物毒性和/或療效，并揭示相關(guān)供體-供體差異。

　　圖8開(kāi)頂肺泡芯片LPS介導(dǎo)的血小板活化和聚集

　　ATA-2081高壓放大器

　　帶寬：（-3dB）DC~200kHz

　　電壓：800Vp-p（±400Vp）

　　電流：40mAp

　　功率：16Wp

　　壓擺率：≥356V/μs

　　可程控

　　參考文獻(xiàn)

Antonio Varone, Justin Ke Nguyen, Lian Leng, Riccardo Barrile, Josiah Sliz, Carolina Lucchesi, Norman Wen, Achille Gravanis, Geraldine A. Hamilton, Katia Karalis, Christopher D. Hinojosa, A novel organ-chip system emulates three-dimensional architecture of the human epithelia and the mechanical forces acting on it, Biomaterials

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