多器官微流控芯片技术及其应用.doc
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1、多器官微流控芯片技术及其应用微流控芯片技术(Microfluidics)也被称为芯片实验室(Lab-On-a-Chip, LOC),涉及物理、化学、医学、流体、电子、材料、机械等多学科交叉的研究领域。通过微通道、反应室和其他某些功能部件,对流体进行精准操控,对生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成分析,具有液体流动可控、集成化、消耗低、通量高、分析快等优点,已经被广泛应用于生物医学和环境科学等研究领域。基于微流控芯片技术的人体器官芯片(Human organs-on-chips)近几年来发展迅速,已经实现肺、肾、肠、肝、心脏、血管、皮肤、大脑、骨骼、乳腺、脾脏、
2、血脑屏障、气血屏障等芯片的构建,通过与细胞生物学、工程学和生物材料等多种学科的方法相结合,体外模拟多种活体细胞、组织器官微环境,反映人体组织器官的主要结构和功能特征。人体不同器官或整个系统的毒性检测是药代动力学和药效学研究的重要部分,传统的二维细胞培养模式以及动物实验取得了诸多成就,但受周期、成本、精准度、伦理等因素的限制,难以预测人体对于各种药物的响应。研究表明:人体器官芯片技术能准确地控制多个系统参数,与传统的毒理学动物实验相比更能反映人体内真实情况,在新药筛选方面更具特异性。因此,利用微加工技术,建立更接近人体环境的仿生系统成为体外生理模型的研究热点。然而,随着器官芯片技术的发展,其应用
3、仍然存在一定的局限性,大部分生理途径需要连续介质循环和组织间相互作用,单器官芯片无法全面反映机体器官功能的复杂性、功能变化和完整性。为适应人体结构复杂性,未来的研究需要建立更加复杂的多器官微流控芯片(Multi-Organ-Chip, MOC)系统,将几种器官等同物合并到类似人类的代谢环境中,开发动态的实验室微生物反应器,进行系统的毒性检测和代谢评估。多器官微流控芯片的设计原理多器官微流控芯片将不同器官和组织的细胞在芯片上培养,以微通道相连,实现多器官集成化,以考察其相互作用或建立一个系统,用于体外药物筛选。芯片中可集成数个经过特殊设计的微培养室、灌注通道并同时培养多种细胞,利用微流控技术可以
4、产生精确可控的流体剪切力、周期性变化的机械力和溶质浓度梯度变化的灌注液。利用这些平台优势,多器官微流控芯片可以用于细致地分析组织、器官特异性应激反应,例如循环免疫细胞的募集、对药物、毒素或其他刺激因素的应答等。除此之外,将多个模拟不同器官、组织的芯片,按照体内的关系,用血管内皮组织、血细胞或是流体介质将其连接起来,就能在体外模仿体内不同器官、组织之间的生理作用和药物分布等。图1所示为 MOC系统装置,图1(a)包括两个聚碳酸酯盖板,PDMS-玻璃芯片用于承载血流回路(粉红色)和排泄流动回路(黄色);数字分别代表肠道(1),肝脏(2),皮肤(3)和肾脏(4)组织的4个组织培养隔室。多器官芯片布局
5、的顶视图示出了血液回路中的3个测量点(A,B和 C)的位置以及排泄回路中的两个测量点(D,E)。该装置用微泵设备来控制流体的顺时针和逆时针流动,以微通道相连接,在芯片上培养构建了可容纳肠、肝、皮肤、肾4个器官的MOC系统,通过两个流动回路模拟模拟药物在肠内吸收、肝脏代谢以及肾脏排泄,用于体外检测候选药物安全性和有效性评估。应用该系统体外模拟了人体内葡萄糖代谢的环境,结果显示芯片“口服”药物,吸收后药物通过模拟的血液循环,经过肝脏,然后进入皮肤和肾脏,到达肾脏器官模型代谢并经肾尿液排出,进一步验证了葡萄糖在小肠内的代谢途径。此外,还有相关研究共培养神经球和肝球体,构建神经系统-肝脏多器官微流控芯
6、片,用2,5-己二酮研究其对组织的毒性作用和代谢途径,通过测定葡萄糖消耗量和乳酸产量作为MOC系统代谢活动的指标。在肝中,正己烷可能以解毒途径或者生物活化途径代谢为己醇,经过血液到达大脑产生毒害作用,实验中对两种不同浓度的2,5-己二酮的毒性测定结果表明其诱导了神经球和肝微组织中的高度细胞凋亡。图 多器官微流控芯片设计示意图多器官微流控芯片系统研究微细胞培养物类似物(CCA)与PBPK模型药代动力学模型(Physiologically Based Pharmacokinetics, PBPK)是指一种更符合药物在体内动态变化的具体状况的模型,对于新药研发具有重要作用。PBPK模型以“生理学室”
7、代替经典模型中的隔室(房室模型),根据质量平衡关系、按模型建立速度方程、对方程组进行求解、得出各个组织或器官的毒物浓度与时间的关系,可基本明确药物在体内动态增加或减少的实际情况。由于微流体可以精确控制多个隔室的流动和连接,区域化的微流体系统可以作为PBPK模型的体外平台。经过对多器官微流控芯片系统的研究,开发了一种模拟人类对药物反应的高通量体外系统,将基于微流控芯片的微细胞培养物类似物(Microscale Cell Culture Analog, CCA)与PBPK模型结合使用,建立对应PBPK数学模型的物理装置(CCA装置)。在装置中,每个器官代表一个隔室,代表关键器官的腔室被制造在硅芯片
8、上,并通过微通道相互连接用于模拟血液流动中的介质再循环,CCAs缩小器件可以在体外模拟近生理流体流动条件、体内组织的尺寸比以及多组织器官的相互作用,通过使用外部泵和外部常见的介质再循环来支持个体肝脏、骨髓和肿瘤细胞系培养隔室之间的相互作用。在对肝脏、骨髓和肿瘤细胞系共培养研究中,根据人类组织数据设置缩放细胞室及相关参数,CCA装置中不同组织或者器官分别以单独的隔室相连接来模拟多组织器官的作用环境。实验结果显示,CCA装置能够捕获肝脏隔室中的代谢,可以观察到传统孔板测定中未观察到的肿瘤细胞的损伤。结合PBPK预测的CCA装置可以与人体试验的药物处理匹配,不仅能模拟动态的多器官相互作用,并且还能够
9、模拟现实的生理微环境,实现体外研究药物的药代动力学等药效学性质。CCA装置的微环境是基于一个简化的PBPK数学模型设计的,在研究药代动力学、不同器官细胞间互作及毒性和代谢相互作用的假设检验等方面有重要意义。不足的是,当细胞以流体连接的方式培养时,培养基在提供营养物质、去除细胞废物的同时,也可能会放大未知灌注液对隔室细胞的毒性作用。多通道三维微流控细胞培养系统(3D-FCCS)由于CCA装置的不足,要设计一个体内高度保守的系统,重要的是以流体联系的方式培养多种细胞类型,同时保持彼此间的隔离,据此开发了一种多通道3D微流控细胞培养系统(3D microfluidic Cell Culture Sy
10、stem, 3D-FCCS)。3D-FCCS是由多个微通道相互连接的微流体通道和微阵列组成,采用微阵列技术对多种细胞类型进行高密度物理固定,以获得最大的细胞-细胞相互作用。在3D球形微组织和微流控技术进行多组织实验分析中,将预先形成的球形微组织装载到微室中并在连续灌注下培养,通过自动化的芯片倾斜由重力驱动的流动产生,而不需要额外的管道和外部泵。以3D-FCCS为基础构建的鼠肝和大肠肿瘤MOC系统在前体药物环磷酰胺存在下培养8d,仅在芯片上不同微量组织类型的共培养物中观察到对肿瘤生长有显著影响,而环磷酰胺处理的静态肝脏微组织的不连续转移上清液并不显著影响肿瘤生长。该系统验证了环磷酰胺对肿瘤生长有
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