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器官芯片实例介绍:(一)肺芯片 lung on a chip

肺芯片被设计用于改善现有体外肺泡 - 毛细血管界面模型的生理相关性,这种多功能微实验平台可以再现人肺泡毛细血管界面(即活肺的基本功能单元)的关键结构、功能和机械性质。Wyss Institute的Dongeun Huh受哈佛大学的生物启发工程部的委托,设计了一个由PDMS制成的薄(10μm)多孔柔性膜分开的两个紧密贴合的微通道结构。该装置主要包括三个微流体通道,只有中间有多孔膜,如图所示。将不同的细胞培养在膜两侧生长:一侧为人肺泡上皮细胞,另一侧为人肺微血管内皮细胞。通道的分隔不仅有助于将空气流作为流体将细胞和营养物递送到上皮的顶端表面,而且还允许中间和侧面通道之间存在压力差。在人类呼吸循环的正常启动过程中,胸膜内压降低,引起肺泡扩张。当空气被吸入肺部时,毛细血管中的肺泡上皮和耦合的内皮被拉伸。由于侧通道连接到真空,引起压力降低导致了中间通道扩张,从而拉伸多孔膜,随后拉伸整个肺泡-毛细管界面。

肺芯片装置及功能示意图 

1 肺芯片装置及功能示意图:该装置由三个中空微通道组成,只有中间通道在水平方向被多孔膜隔成两个部分,在多孔膜的两侧分别接种内皮细胞或上皮组织细胞。侧通道连接真空,可通过气泵对膜进行拉伸以模拟由于隔膜的收缩引起胸膜内压降低,所导致的肺泡扩张。

压力驱动膜拉伸的动态运动也被描述为周期性机械应变(值约为10%),与该装置的静态培养以及Transwell细胞培养系统相比,显着增加了穿过多孔膜的纳米颗粒易位速率。为了充分验证器件的生物学效用性,必须对整个肺器官的反应进行评估。在这种情况下,研究人员一共做了两个实验:

•肺部炎症

肺部炎症反应一个多步骤的反应过程,但是随着上皮细胞产生的增加和细胞因子的早期应答释放,界面的细胞粘附分子数量[5]应该会增加。在Huh的实验中,通过加入含有强力促炎介质的培养基来模拟肺部炎症。在造成损伤后几小时,微流控装置中的细胞根据前述生物反应受到环状应变的而发生响应。

•肺部感染

使用大肠杆菌系统来证明甚至可以模拟细菌肺部感染的自然细胞反应。将细菌引入肺泡上皮的顶端表面之后的几小时内,在肺泡腔中能检测到嗜中性粒细胞,这意味着它们已经从血管微通道转移,多孔膜已经开始吞噬细菌。

此外,研究人员认为,这种肺片上系统的潜在价值将有助于毒理学应用。 通过调查对纳米颗粒的肺部反应,研究人员希望在某些环境中更多地了解健康风险,并纠正以前过于简单的体外模型。 因为微流体肺上芯片可以更精确地再现活人肺的机械性质,因此其生理反应将比Transwell培养系统更快更准确。 然而,已发表的研究承认,肺片上的反应尚未完全复制天然肺泡上皮细胞的反应。

作者:陈有灵犀 科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)