微流控技術(shù)是一種通過微小的通道和微型裝置對流體進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、個性化醫(yī)療、細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)細胞的空間組織的能力；其次，用于微芯片設(shè)計的生物惰性聚合物材料，盡管提供了細胞附著和生長的支持，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)晶格中上皮細胞和間充質(zhì)細胞之間的相互作用，以及空氣暴露和拉伸等因素對誘導(dǎo)細胞分化的影響----這些因素對于皮膚和肺泡等組織來說是誘導(dǎo)細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)細胞在體內(nèi)所受機械力的成分。

近期， 美國著名器官芯片研發(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。該團隊設(shè)計了一種新型皮膚/肺泡組織器官芯片。該芯片具有開蓋設(shè)計，能夠在施加機械力的同時，用混合了間充質(zhì)細胞的天然ECM水凝膠, 為細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600um,高400u，用于種植血管內(nèi)皮細胞，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，使營養(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)是一個空腔，直徑6mm,高度4mm，主要用于培養(yǎng)細胞外基質(zhì)及相應(yīng)皮膚或肺組織細胞。最上面一層也含有一個微流控流道，組裝后可為第二層的空腔提供流動營養(yǎng)物質(zhì)或施加剪切力。整體來看，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開頂芯片設(shè)計原理圖

　　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中由深灰色標識的氣動結(jié)構(gòu)。這層結(jié)構(gòu)是空心的，連接著一個真空氣泵。控制氣泵規(guī)律性的抽出氣動空腔中的氣體，就能帶動空腔及期內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)周期性的拉伸。通過對開頂芯片真空通道施加負壓能產(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開頂芯片的拉伸

　　在倒數(shù)第三層空腔內(nèi)細胞外基質(zhì)層的表面，團隊還用一個刻有微圖案的印章塑造了細胞外基質(zhì)表面的圖案（圖3）。在細胞外間質(zhì)凝固過程中外置印章這一做法，充分發(fā)揮了芯片頂部可打開的優(yōu)勢。通過添加這一表面微圖案的小細節(jié)，則更貼切的模擬了人體內(nèi)自然狀態(tài)下上皮于細胞間質(zhì)界面形態(tài)。細胞外間質(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胞或平滑肌細胞，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開頂芯片細胞基質(zhì)層表面微圖案制作

　　考慮到內(nèi)皮細胞對上皮細胞的成長有著重要的作用，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)皮細胞。在流動的培養(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)皮細胞組成的脈管系統(tǒng)。圖4以及圖5b就對流道內(nèi)內(nèi)皮細胞的性質(zhì)進行了檢測。同時圖5還檢測了腔體內(nèi)上皮細胞的成長狀況，驗證了成熟表皮層的形成。

　　圖4開頂肺泡芯片血管腔內(nèi)皮細胞特性

　　圖5開頂皮膚芯片細胞特性

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

　　圖6開頂肺泡芯片上皮細胞特征

　　分別驗證了各個區(qū)間的細胞狀態(tài)后，該團隊又試圖評估該模型是否能實現(xiàn)間質(zhì)與上皮的相互作用，并捕捉三個芯片間隔之間的串擾。為此，團隊用脂多糖對開頂肺泡芯片做了一個脂多糖（LPS）炎癥檢測。即使在沒有免疫細胞的情況下，脂多糖也會引發(fā)上皮的炎癥反應(yīng)。在用LPS處理開頂肺泡芯片后，團隊發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細胞上的炎癥表面標記物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，在開放頂部芯片的三個不同的細胞層之間的功能確實是互連并相關(guān)的。

　　圖7開頂肺泡芯片LPS炎癥反應(yīng)

　　為了進一步證實肺泡上皮層和血管通道之間的相互影響，該團隊又用含CD41標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，通過實時成像跟蹤標記血小板的運動及其與內(nèi)皮細胞的相互作用。實驗結(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)境中的炎癥會導(dǎo)致血小板與內(nèi)皮細胞的顯著結(jié)合。這些發(fā)現(xiàn)表明，開頂肺泡芯片可用于具體研究病理環(huán)境下的細胞-細胞相互作用，評估藥物毒性和/或療效，并揭示相關(guān)供體-供體差異。

　　圖8開頂肺泡芯片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

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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