肝脏芯片:超越芯片设计以模仿自然正弦曲线-汶颢股份
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肝脏芯片:超越芯片设计以模仿自然正弦曲线

肝脏代谢活动中发挥着重要作用,如血液中葡萄糖水平的调节,血浆蛋白质的产生,药物代谢,胆汁的产生并从形态和功能的角度呈现复杂的结构由于其重要性,在过去几十年中已经被广泛研究以了解药物代谢和毒性(DILI-药物诱导的肝损伤)以及肝病,肝炎,肝纤维化和癌症等的机制。

肝窦结构的简短概述

肝门静脉(来自肠道)和肝动脉将血液带到肝脏,在那里它被混合在称为血窦的毛细血管中并收集在肝中央静脉中,在那里被带回心脏。肝脏由重复单元组成,小叶具有六边形形状,由肝细胞组成(HCs)排列在正弦波周围的绳索结构中,由一个perisinusoidal空间,Disse的空间隔开。肝细胞是实质肝细胞,主要参与蛋白质和胆汁合成以及肝脏代谢,而主要的非实质(NPC)细胞是肝窦内皮细胞(LSECs),库普弗细胞(巨噬细胞)和星状细胞肝细胞通过Disse空间的交换从正弦细胞中获得营养。

图1.肝窦的方案。血液流动的正弦曲线与由肝细胞组成的薄壁组织,通过窦状内皮细胞膜和Disse空间分离。4种主要类型的细胞是内皮细胞,库普弗细胞和星状细胞(非实质细胞)和肝细胞。图来自Tsutsui等[9]。

1.肝窦的方案。血液流动的正弦曲线与由肝细胞组成的薄壁组织,通过窦状内皮细胞膜和Disse空间分离。4种主要类型的细胞是内皮细胞,库普弗细胞和星状细胞(非实质细胞)和肝细胞。图来自Tsutsui等[9]。

 工程肝脏体外模型

图2.肝脏体外模型的常用方法的图形表示。这些方法可分为非灌注系统(MPCC,3D球体)和灌注系统(肝脏上芯片),而高通量细胞微阵列通常用于药物筛选和开发[2] [10]。 

2.肝脏体外模型的常用方法的图形表示。这些方法可分为非灌注系统(MPCC,3D球体)和灌注系统(肝脏上芯片),而高通量细胞微阵列通常用于药物筛选和开发[2] [10]。

肝脏芯片模型:人工肝窦

我们已经决定在此描述由Lee等人开发的人工肝窦,他设计了一种微流体平台,能够重建原代肝细胞接种的生理微环境(质量传递条件)。

芯片设计细节

微流体平台由营养物和药物流动的通道和用于接种紧密包装的肝细胞的细胞室组成。事实上,已经证明,高密度的原代细胞允许形成具有增强的活力和代谢活性的细胞 - 细胞相互作用。在芯片设计中包括具有由一组平行微通道组成的正弦形状的可渗透的内皮样屏障,以便(i)防止对HC具有危险的高剪切应力和(ii)将HC包装在电池中区域。

图3. Lee等人设计的人造肝窦。流动通道和细胞室宽50μm,高30μm。这两个区域分别模拟血管和肝实质,并由一个由平行微通道(2 x1μm - 宽x高)组成的屏障隔开,该微通道起肝脏内皮细胞(LSECs)的作用。屏障允许同时将肝细胞紧密包裹在细胞区域(右图),同时确保低剪切应力。(比例尺50μm)。来自Moraes等人的图。 

3. Lee等人设计的人造肝窦。流动通道和细胞室宽50μm,高30μm。这两个区域分别模拟血管和肝实质,并由一个由平行微通道(2 x1μm - 宽x高)组成的屏障隔开,该微通道起肝脏内皮细胞(LSECs)的作用。屏障允许同时将肝细胞紧密包裹在细胞区域(右图),同时确保低剪切应力。(比例尺50μm)。来自Moraes等人的图。

1.芯片微加工

通过光刻在硅晶片上以两个步骤对SU-8(负性光致抗蚀剂)进行图案化:旋涂1μm厚的SU-8层以形成内皮样屏障的通道,然后是30μm的SU-8。用于创建流动和细胞播种的通道。接着,从SU-8模具中复制聚二甲基硅氧烷PDMS)芯片并粘合到载玻片上。

2.设计芯片参数以模拟肝脏微循环

该芯片设计用于确保100 pL / s的营养物体积流量(对于细胞区域中加载的约250个肝细胞),这是典型的肝脏微循环。为此,对于流动通道和可渗透屏障,通道宽度,高度和长度分别设定为(50×30×1200)μm和(2×1×30)μm。使用2 x1μm的阻隔通道横截面,低对流流动,因此确保了高的总流体阻力(比流体通道中高1000倍),因此能够进行扩散传输。以这种方式,HC暴露于低剪切应力并且可以通过穿过屏障的扩散来接收营养物。

3.设计芯片参数以控制紧密堆积的肝细胞的负载

内皮样屏障的设计还允许加载高密度的HC而不损坏它们或屏障本身。验证通道的窄横截面以减少界面处的细胞膜变形。因此,正向流动将细胞导向细胞区域的底部而没有堵塞,这导致高细胞包装。此外,细胞产生的增加的抗性决定了接种过程结束时的加载速率的降低。

用于原代细胞培养的微流控芯片:结果和结论

将大鼠和人原代肝细胞加载到细胞区域内,并评估细胞活力长达7天。用培养基连续灌注微流体平台。结果显示两种细胞系在7天后保持其存活力而不需要胶原蛋白包被(在静态培养系统中是必需的)。此外,由于细胞 - 细胞接触,高密度细胞确保了高代谢活性。

该评价显示了微流体平台如何被设计成能够非常模仿组织或器官的特定功能。在这项工作中,设计了一个由流动通道,细胞区域和可渗透的内皮样屏障组成的微流体装置,以类似于肝脏微循环条件,改善肝细胞活力和细胞 - 细胞相互作用。 评论由Alessandra Dellaquila撰写。

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