器官芯片实例介绍（四）Kidney-on-a-chip 芯片肾
微流控装置已经被用于在体外模拟了由多种肾细胞构成的肾单位。此细胞培养方式更加深入和接近体内环境，能够对细胞和器官功能发现新的见解。芯片肾能够加快人们对肾器官的研究，包括人工替代功能丧失的肾。如今，进行透析的患者需要每星期去医院至多三次。可移植和易于接受的治疗方式不仅可以增加患者的整体健康（通过增加治疗频率），而且整个过程将变得更有效和更容易。可移植的人造肾脏研究是一门急需要创新的学科，需要通过微流控技术，微型化和纳米加工技术，为人造器官带来耐用性和可植入的能力。
Example 肾单元芯片 – nephron-on-a-chip
图1 PDMS仿生肾小管示意图
单位是肾的基本构成和功能单位，由肾小球和肾小管组成。麻省理工学院的研究人员设计了一种人造生物装置，其主要体外构建了肾的基本单位肾小球，能够实现近端回旋小管和loop of Henle(肾元的一部分，从近曲小管到远曲小管)的生理功能。
所构建的装置每个部分都有其独特的设计，通常由两个由膜隔开的微加压层组成。微流控装置的唯一入口是被设计用于血液样品的进入。在肾小球的肾单元部分，薄膜允特定血液颗粒穿过由内皮，基底膜和上皮足细胞组成的毛细血管壁。从毛细血管过滤到Bowman空间的液体称为滤液或初级尿液。
图2 具有三个功能单元横截面的微流控芯片装置的示意图。黑色箭头：被动运输；白色箭头：细胞介导的主动运输
在小管中，一些物质作为尿液形成的一部分，将进入到滤液中，还有一些营养物质从滤液中会被再吸收返回到血液中。这些小管的第一段是近端回旋小管，这里能够吸收几乎全部营养重要物质。在该装置中，该部分仅仅是直通道替代，但是进入滤液的血液颗粒必须穿过前面所述的膜和一层肾近端小管细胞；小管的第二段是Henle循环，其中形成原尿和发生离子的再吸收过程。该设备的循环通道能够模拟Henle循环的逆流机制；同样，Henle循环的过程也需要许多不同类型的细胞，因为不同种类细胞类具有不同的转运特性及特征。这些细胞类型包括：下肢肢体细胞、上肢细胞细胞、上肢增厚细胞、皮质收集管细胞和髓样收集管细胞。
验证模拟微流控装置对生理性肾单位的完全过滤和再吸收行为的一个过程包括证明血液和滤液之间的传输性质与其发生传输的位置同膜的进入情况相一致。 例如，大多数被动输送的水发生在近端小管和下降的薄肢体中，而NaCl的主动运输主要发生在近端小管和厚上肢体中。该装置的设计需要将肾小球中的过滤分数控制在15％-20％之间变化，而近端回旋小管中的过滤重吸收在65％-70％之间变化，最后在尿液中收集尿素在200-400mM之间变化。
最近的一项研究论述了一种在水凝胶微流控装置重现了具有生物活性的肾单位，建立了被动扩散的功能以及在血管与小管（均为中空通道）之间相互作用基础上实现的复杂肾单位生理功能[8]。然而，传统的实验室技术通常是基于2D培养皿上，这样会导致缺乏对生物体内3D结构中发生的真实生理能力被忽视。基于此，作者开发了一种微流控装置新方法，主要在3D水凝胶中包含了制造功能，细胞衬里和可灌注微通道等。
血管内皮和肾上皮细胞在水凝胶微通道内培养并形成细胞层覆盖在模拟的血管和小管管壁上。研究者使用激光共焦显微镜检查水凝胶中一个小有机分子（通常是药物）在血管和小管之间的被动扩散。该研究证明了在体外模拟再生医学和药物筛选的肾脏生理学的有效性潜力。
（作者：陈有灵犀 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）