微流控技術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。它是現代醫學技術發展過程中的一種重要的生物醫學工程技術，具有廣泛的應用前景和重要性。它在高通量分析、個性化醫療、細胞篩選等方面有著巨大的潛力，Aigtek安泰電子今(jin)天就將為大家分享一篇微流控領域研究成(cheng)果，一起接著(zhu)往下看吧(ba)~

　　隨著(zhu)三(san)維(wei)器(qi)官(guan)(guan)模型在(zai)(zai)模擬人體于藥物和化學物質(zhi)(zhi)作用(yong)下的(de)(de)(de)反應(ying)的(de)(de)(de)精確度(du)(du)不(bu)斷(duan)(duan)獲得肯定，三(san)維(wei)器(qi)官(guan)(guan)芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)熱度(du)(du)也不(bu)斷(duan)(duan)攀(pan)升。然而(er)器(qi)官(guan)(guan)芯(xin)片(pian)現有的(de)(de)(de)問(wen)題也非常(chang)多(duo)。首先(xian)，現有器(qi)官(guan)(guan)芯(xin)片(pian)，芯(xin)片(pian)上(shang)的(de)(de)(de)器(qi)官(guan)(guan)仍然缺(que)乏重建活體組織的(de)(de)(de)三(san)維(wei)結(jie)(jie)構(gou)和相關細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)空間組織的(de)(de)(de)能(neng)力；其次，用(yong)于微芯(xin)片(pian)設計(ji)的(de)(de)(de)生物惰性聚合物材料，盡管提供了細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)附著(zhu)和生長的(de)(de)(de)支(zhi)持，但不(bu)能(neng)代表(biao)原生ECM的(de)(de)(de)晶(jing)格結(jie)(jie)構(gou)和剛度(du)(du)；此(ci)外，現有芯(xin)片(pian)還(huan)忽略(lve)了ECM基(ji)質(zhi)(zhi)晶(jing)格中上(shang)皮(pi)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)和間充(chong)質(zhi)(zhi)細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)之間的(de)(de)(de)相互作用(yong)，以(yi)及空氣暴露和拉(la)伸等(deng)因(yin)素(su)對(dui)(dui)誘導細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)分(fen)化的(de)(de)(de)影響----這些(xie)因(yin)素(su)對(dui)(dui)于皮(pi)膚和肺泡等(deng)組織來說(shuo)是(shi)誘導細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)最終分(fen)化的(de)(de)(de)必(bi)要條件。目(mu)前許多(duo)器(qi)官(guan)(guan)芯(xin)片(pian)都(dou)只(zhi)是(shi)在(zai)(zai)3D表(biao)面上(shang)的(de)(de)(de)2D共培養，而(er)不(bu)是(shi)3D器(qi)官(guan)(guan)型培養，并且不(bu)包(bao)括基(ji)質(zhi)(zhi)和/或調節細(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)在(zai)(zai)體內所受(shou)機(ji)械力的(de)(de)(de)成分(fen)。

近期， 美國著名(ming)器官(guan)芯(xin)片(pian)研發公司(si)Emulate, Inc.的Christopher D. Hinojosa，在(zai)Biomaterials上發表了題為A novel organ-chip system emulates three-dimensional architecture of the human epithelia and the mechanical forces acting on it 的文章。該(gai)(gai)團隊(dui)設(she)計了一種新型皮(pi)膚/肺泡組織器官(guan)芯(xin)片(pian)。該(gai)(gai)芯(xin)片(pian)具有(you)開蓋設(she)計，能夠在(zai)施加(jia)機械力的同時，用混合了間充質細(xi)(xi)胞的天然ECM水(shui)凝膠, 為細(xi)(xi)胞提供剛度適宜的支持。

　　該芯片由(you)四層(ceng)(ceng)(ceng)PDMS組(zu)成（圖1），其中最(zui)底部(bu)(bu)是一(yi)片螺旋形的(de)(de)(de)(de)微流(liu)控芯片，截面長600um,高(gao)400u，用于(yu)種(zhong)植血(xue)管內皮細胞，模(mo)擬(ni)血(xue)管。螺旋型的(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)有(you)助于(yu)增加(jia)其與(yu)上層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)接觸面積，使(shi)營養物(wu)質(zhi)能更充分(fen)的(de)(de)(de)(de)交換。倒數第(di)(di)二(er)層(ceng)(ceng)(ceng)是一(yi)層(ceng)(ceng)(ceng)50um厚的(de)(de)(de)(de)多孔薄膜，孔徑7um,很好的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬(ni)了血(xue)管的(de)(de)(de)(de)內彈性膜結(jie)構(gou)。正數第(di)(di)二(er)層(ceng)(ceng)(ceng)主要結(jie)構(gou)是一(yi)個空(kong)(kong)腔，直徑6mm,高(gao)度4mm，主要用于(yu)培養細胞外基質(zhi)及(ji)相應(ying)皮膚(fu)或(huo)肺組(zu)織細胞。最(zui)上面一(yi)層(ceng)(ceng)(ceng)也含有(you)一(yi)個微流(liu)控流(liu)道，組(zu)裝后(hou)可為第(di)(di)二(er)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)腔提供流(liu)動營養物(wu)質(zhi)或(huo)施加(jia)剪切力。整體來看，底部(bu)(bu)三(san)層(ceng)(ceng)(ceng)是緊密固定的(de)(de)(de)(de)，而頂(ding)部(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)第(di)(di)四層(ceng)(ceng)(ceng)則是可拆卸的(de)(de)(de)(de)，經由(you)特制的(de)(de)(de)(de)夾具(ju)固定在另外三(san)片芯片上。

　　圖(tu)1開頂芯片設計原理圖(tu)

　　除了傳統微流(liu)控結(jie)(jie)構(gou)(gou)以外，第(di)二層腔體(ti)周圍還環(huan)繞著一(yi)(yi)圈(quan)圖(tu)1C中(zhong)由深灰色標(biao)識的(de)(de)(de)氣動(dong)結(jie)(jie)構(gou)(gou)。這層結(jie)(jie)構(gou)(gou)是空(kong)心的(de)(de)(de)，連(lian)接著一(yi)(yi)個真(zhen)空(kong)氣泵。控制氣泵規律性(xing)的(de)(de)(de)抽(chou)出氣動(dong)空(kong)腔中(zhong)的(de)(de)(de)氣體(ti)，就能帶動(dong)空(kong)腔及期(qi)(qi)內部的(de)(de)(de)組織結(jie)(jie)構(gou)(gou)周期(qi)(qi)性(xing)的(de)(de)(de)拉伸。通過對(dui)開頂芯(xin)片真(zhen)空(kong)通道施加負壓能產生(sheng)0~15%的(de)(de)(de)循環(huan)應(ying)變，幅值為(wei)0~?90kPa，頻率為(wei)0.2Hz（圖(tu)2）。

　　圖2開頂芯片的拉伸(shen)

　　在倒數第三層空腔內細(xi)胞(bao)(bao)外(wai)基質層的(de)表(biao)面，團(tuan)隊還用一個刻(ke)有微(wei)圖(tu)案(an)的(de)印(yin)章塑造了細(xi)胞(bao)(bao)外(wai)基質表(biao)面的(de)圖(tu)案(an)（圖(tu)3）。在細(xi)胞(bao)(bao)外(wai)間質凝固(gu)過程中外(wai)置印(yin)章這一做法，充分發揮了芯片頂部可打開(kai)的(de)優勢。通(tong)過添加這一表(biao)面微(wei)圖(tu)案(an)的(de)小細(xi)節，則更貼切的(de)模(mo)(mo)擬了人體內自然狀態(tai)下上皮于細(xi)胞(bao)(bao)間質界面形態(tai)。細(xi)胞(bao)(bao)外(wai)間質層主(zhu)要由基質等效(xiao)ECM混合物(wu)使(shi)用牛I型膠原蛋白(bai)溶液制(zhi)備(bei),中間再視器官模(mo)(mo)型中上成(cheng)纖維細(xi)胞(bao)(bao)或(huo)平(ping)滑肌細(xi)胞(bao)(bao)，用印(yin)章壓制(zhi)成(cheng)2mm厚(hou)(皮膚組織)或(huo)200um厚(hou)（肺泡組織）的(de)膠狀結構。

　　圖(tu)3開頂芯片細胞基質(zhi)層(ceng)表面(mian)微圖(tu)案制作

　　考(kao)慮到內(nei)皮(pi)(pi)(pi)(pi)細(xi)(xi)胞(bao)對(dui)(dui)上(shang)皮(pi)(pi)(pi)(pi)細(xi)(xi)胞(bao)的(de)(de)成(cheng)長有(you)著重要的(de)(de)作用(yong)，器官芯片(pian)的(de)(de)底部螺旋流(liu)道(dao)(dao)(dao)中(zhong)可以(yi)根據(ju)芯片(pian)功能選擇種上(shang)相應的(de)(de)內(nei)皮(pi)(pi)(pi)(pi)細(xi)(xi)胞(bao)。在(zai)流(liu)動的(de)(de)培養(yang)基作用(yong)下(xia)培養(yang)7-15天，螺旋流(liu)道(dao)(dao)(dao)里就(jiu)能形(xing)成(cheng)單層致密的(de)(de)由內(nei)皮(pi)(pi)(pi)(pi)細(xi)(xi)胞(bao)組(zu)成(cheng)的(de)(de)脈(mo)管系統。圖4以(yi)及圖5b就(jiu)對(dui)(dui)流(liu)道(dao)(dao)(dao)內(nei)內(nei)皮(pi)(pi)(pi)(pi)細(xi)(xi)胞(bao)的(de)(de)性質進行了(le)檢(jian)測(ce)。同(tong)時(shi)圖5還檢(jian)測(ce)了(le)腔體內(nei)上(shang)皮(pi)(pi)(pi)(pi)細(xi)(xi)胞(bao)的(de)(de)成(cheng)長狀(zhuang)況，驗證了(le)成(cheng)熟表皮(pi)(pi)(pi)(pi)層的(de)(de)形(xing)成(cheng)。

　　圖4開(kai)頂肺泡芯片血(xue)管(guan)腔內皮(pi)細胞特性(xing)

　　圖5開(kai)頂(ding)皮膚芯片細胞特(te)性(xing)

　　至于肺(fei)泡(pao)芯片(pian)，該團隊也對(dui)腔體內的(de)肺(fei)泡(pao)上皮結構進行了組(zu)織(zhi)切片(pian)檢測（圖6）。切片(pian)的(de)組(zu)織(zhi)學(xue)分(fen)析證實了兩種表型明(ming)顯的(de)細胞類型——I型肺(fei)細胞和ii型肺(fei)細胞的(de)存在(zai)。

　　圖6開頂肺(fei)泡(pao)芯片(pian)上皮細(xi)胞特征(zheng)

　　分別驗證了各個區間(jian)(jian)的(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)狀(zhuang)態后，該團(tuan)隊又試圖(tu)評估該模型是(shi)否能(neng)實現間(jian)(jian)質與(yu)上皮的(de)(de)相互(hu)作用，并捕捉三(san)(san)個芯(xin)(xin)片(pian)(pian)間(jian)(jian)隔之間(jian)(jian)的(de)(de)串擾。為此，團(tuan)隊用脂多(duo)糖(tang)對開頂肺(fei)泡(pao)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)做了一(yi)個脂多(duo)糖(tang)（LPS）炎(yan)(yan)癥(zheng)(zheng)(zheng)檢測。即使在(zai)沒有免疫細(xi)(xi)胞(bao)的(de)(de)情況下，脂多(duo)糖(tang)也會引發(fa)(fa)上皮的(de)(de)炎(yan)(yan)癥(zheng)(zheng)(zheng)反應。在(zai)用LPS處(chu)理(li)開頂肺(fei)泡(pao)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)后，團(tuan)隊發(fa)(fa)現內皮細(xi)(xi)胞(bao)上的(de)(de)炎(yan)(yan)癥(zheng)(zheng)(zheng)表面標(biao)記物ICAM-1上調，經免疫組化顯示，芯(xin)(xin)片(pian)(pian)血管(guan)通道流出物中炎(yan)(yan)癥(zheng)(zheng)(zheng)介(jie)質IL-6、IL-8和MPC-1水平都有升高（圖(tu)7）。這些數據表明，在(zai)開放頂部芯(xin)(xin)片(pian)(pian)的(de)(de)三(san)(san)個不同的(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)層之間(jian)(jian)的(de)(de)功能(neng)確(que)實是(shi)互(hu)連并相關的(de)(de)。

　　圖7開頂(ding)肺泡芯(xin)片LPS炎癥反應

　　為了進(jin)一步證實肺泡上(shang)皮層和血(xue)管(guan)通道之間的(de)相(xiang)(xiang)互影響，該(gai)團隊又用(yong)含CD41標(biao)記的(de)血(xue)小(xiao)板(ban)的(de)全血(xue)灌(guan)注血(xue)管(guan)通道15分鐘，并將上(shang)皮暴(bao)露(lu)于(yu)LPS下，然后，通過(guo)實時(shi)成像跟(gen)蹤標(biao)記血(xue)小(xiao)板(ban)的(de)運動及其(qi)與(yu)(yu)內(nei)皮細(xi)胞(bao)的(de)相(xiang)(xiang)互作用(yong)。實驗結果顯(xian)示，與(yu)(yu)體內(nei)狀(zhuang)態(tai)類似，由于(yu)暴(bao)露(lu)于(yu)LPS模擬的(de)血(xue)管(guan)微環(huan)境中的(de)炎癥會導(dao)致血(xue)小(xiao)板(ban)與(yu)(yu)內(nei)皮細(xi)胞(bao)的(de)顯(xian)著結合。這些(xie)發(fa)現表(biao)明，開頂肺泡芯(xin)片可用(yong)于(yu)具體研究病(bing)理環(huan)境下的(de)細(xi)胞(bao)-細(xi)胞(bao)相(xiang)(xiang)互作用(yong)，評估藥物毒性和/或療效，并揭示相(xiang)(xiang)關供體-供體差(cha)異。

　　圖(tu)8開頂肺泡芯片LPS介導的血(xue)小板(ban)活(huo)化和聚集

　　ATA-2081高壓放大器

　　帶(dai)寬(kuan)：（-3dB）DC~200kHz

　　電壓：800Vp-p（±400Vp）

　　電流：40mAp

　　功率：16Wp

　　壓(ya)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

西安安泰電(dian)子是專業(ye)從事功率(lv)放(fang)大器、高壓放大(da)器、功率信(xin)號源、前置微小信號放大器、高精度電壓源(yuan)、高精度電流源(yuan)等(deng)(deng)電子(zi)測量儀器研發、生產(chan)和銷售(shou)的高科技企業，為(wei)用戶提供(gong)具有(you)競(jing)爭力的測試方案。Aigtek已經(jing)成為(wei)在業界擁有(you)廣泛產(chan)品(pin)線，且(qie)具有(you)相當規(gui)模的儀器設備供(gong)應商，樣機都支持免(mian)費試用。如想了解更(geng)多功率放大器等(deng)(deng)產(chan)品(pin)，請持續關(guan)注安(an)泰電子(zi)官網(wang)hkdyw.cn或(huo)撥打029-88865020。