在多器官芯片平台上模擬人體血管係統研究總結

在多器官芯片平台上模擬人體(ti) 血管係統

Tobias Hasenberg1,2, Katharina Schimek1, Severin Mühleder3, Andrea Dotzler1, Sophie Bauer1, Alexandra Lorenz1, Wolfgang Holnthoner3, Heinz Redl3, Roland Lauster1, Uwe Marx1,2

1TU Berlin, Institute for Biotechnology, Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin, Germany

2TissUse GmbH, Markgrafenstraße 18, 15528 Spreenhagen, Germany

3Ludwig Boltzmann Institute for Experimental and Clinical Traumatology, Donaueschingenstraße 13, 1200 Vienna, Austria

背景介紹

我們(men) 的多器官芯片平台（MOC）有助於(yu) 正在進行的體(ti) 外物質測試係統的發展，最終目標是取代動物模型。雙器官平台（2OC）包括獨立的電路，每個(ge) 電路包含兩(liang) 個(ge) 獨立的培養(yang) 腔，可用於(yu) 任何3D組織構建的組合。這些空腔通過微流體(ti) 通道相互連接。集成的芯片上的微泵提供微升規模的脈動血流循環。每個(ge) 流路僅(jin) 有600 μL的微量體(ti) 積，可通過豐(feng) 富的介質在培養(yang) 腔之間實現自分泌和旁分泌的交互調節。

人造血管在這個(ge) 測試平台中非常重要。這不僅(jin) 是因為(wei) 它們(men) 在供應組織方麵的作用，而且作為(wei) 內(nei) 皮屏障與(yu) 介質成分相互作用，並調節其向下層組織的擴散。嚐試在培養(yang) 腔內(nei) 重建連續的單層內(nei) 皮細胞。

研究介紹

圖1：微粒子圖像測速技術 （μPIV）。（A）雙器官型號2OC的底部圖。係統的蠕動灌注係統是由微流泵對三個(ge) 連續排列的膜進行周期性的降低和提升來實現的。芯片內(nei) 的容積流量可以通過外部施加到膜上的驅動頻率、壓力和真空來控製。不同於(yu) 傳(chuan) 統的μPIV ，我們(men) 將紅細胞（RBCs）引入微流泵芯片而不是聚合微珠中。使用高速CMOS相機（Baumer HXC40）與(yu) 標準光學顯微鏡連接，在可接觸的位點（a）和（b）獲取連續成像。使用PIVlab對圖像進行分析，甚至當可見排列在通道壁上的內(nei) 皮細胞（ECs）等細胞，箭頭表示流動的方向。（B）使用血紅細胞進行輻射μPIV分析，正速度表示運動，如圖（a）中的箭頭所示。數據被評估以優(you) 化引入的內(nei) 皮細胞（ECs）s上的剪切力，然後建立一種類似生理的脈動血流循環。

圖2：微流體(ti) 通道的內(nei) 皮化。（A）將HDMECs（人真皮微血管內(nei) 皮細胞）接種到雙器官平台（2OC）的通道中。Calcein AM實驗可實時監控在4天的脈動血流過程之中，在循環的所有區域的細胞活力和分布。（B） VE-Cadherin， （C） CD31（紅色）和vWF（綠色）的表達表明正常的內(nei) 皮細胞生理行為(wei) 。（D）微通道內(nei) HDMECs（人真皮微血管內(nei) 皮細胞）的橫截麵，CD31（紅色）和vWF（綠色）染色。HDMECs（人真皮微血管內(nei) 皮細胞）能夠覆蓋所有通道的牆壁，形成一個(ge) 緊密的層。（E）EC的肌動蛋白絲(si) 在靜態和（F）動態培養(yang) 條件下。隻有後者顯示出應力纖維束沿流向排列。（B）至（F）圖像中核用Hoechst複染（藍色）。

圖3：ECs排列（定位角度）和形態（形狀指數）。4天後，在點（a）和（b）靜態和動態條件下，比較HDMECs（人真皮微血管內(nei) 皮細胞）的排列和形態。ECs隨流動方向遷移、增殖和定向。

圖4：創建三維類器官共培養(yang) 的血管床。（A）HUVECs（人臍靜脈血管內(nei) 皮細胞）與(yu) 脂肪來源的基質細胞（ASCs）在纖維蛋白支架內(nei) 共培養(yang) 。用GFP轉染HUVECs。盡管有動態環境和細胞活性，纖維蛋白凝膠在14天內(nei) 保持形狀和穩定。（B）放大視圖。微血管在3 - 7天內(nei) 形成。脈動血流循環並不影響血管的形成。

圖5：血管床的三維組織。用雙光子顯微鏡獲得的z堆疊的渲染圖。分支的z位置是用顏色編碼的——顏色較深的分支更靠近玻璃底部。在纖維蛋白凝膠的內(nei) 部可見分支的微血管，因此可見整個(ge) 突出的支架。凝膠大約有3.5毫米厚。

研究總結

微流體(ti) 通道的內(nei) 皮化是為(wei) 任何生物衍生物重建生理環境的第一步。複雜的雙器官平台（2OC）設計使HDMECs在接近生理條件下培養(yang) 40天，並為(wei) ECs提供了合適的剪切應力環境。典型EC標記CD31、vWF和VE-cadherin的產(chan) 生證實了培養(yang) 物具有正常的細胞行為(wei) 。

μPIV測量用來表征和優(you) 化芯片的流動動力學。與(yu) 聚合珠相比，紅細胞顯著地阻止顆粒偶爾粘附於(yu) 通道壁、細胞或細胞殘留物。

HUVECs與(yu) 纖維蛋白支架的結合創造了尚未充血性的微血管。三維重建了血管的基本結構和特征，為(wei) 未來的器官整合奠定了基礎。此外，我們(men) 設想從(cong) 大的人造血管（圖2）到最小的自發形成的微毛細血管（圖5）建立一個(ge) 連續的內(nei) 皮屏障。這對於(yu) 類器官（共）培養(yang) 中的生理相互作用、調節和穩態穩定至關(guan) 重要。此外，它是在芯片使用血液的先決(jue) 條件。

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