在多器官芯片平臺上模擬人體血管系統

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, Markgrafenstra?e 18, 15528 Spreenhagen, Germany

3Ludwig Boltzmann Institute for Experimental and Clinical Traumatology, Donaueschingenstra?e 13, 1200 Vienna, Austria

背景介紹

我們的多器官芯片平臺（MOC）有助于正在進行的體外物質測試系統的發展，最終目標是取代動物模型。雙器官平臺（2OC）包括獨立的電路，每個電路包含兩個獨立的培養腔，可用于任何3D組織構建的組合。這些空腔通過微流體通道相互連接。集成的芯片上的微泵提供微升規模的脈動血流循環。每個流路僅有600 μL的微量體積，可通過豐富的介質在培養腔之間實現自分泌和旁分泌的交互調節。

人造血管在這個測試平臺中非常重要。這不僅是因為它們在供應組織方面的作用，而且作為內皮屏障與介質成分相互作用，并調節其向下層組織的擴散。嘗試在培養腔內重建連續的單層內皮細胞。

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。系統的蠕動灌注系統是由微流泵對三個連續排列的膜進行周期性的降低和提升來實現的。芯片內的容積流量可以通過外部施加到膜上的驅動頻率、壓力和真空來控制。不同于傳統的μPIV ，我們將紅細胞（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。數據被評估以優化引入的內皮細胞（ECs）s上的剪切力，然后建立一種類似生理的脈動血流循環。

圖2：微流體通道的內皮化。（A）將HDMECs（人真皮微血管內皮細胞）接種到雙器官平臺（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皮細胞生理行為。（D）微通道內HDMECs（人真皮微血管內皮細胞）的橫截面，CD31（紅色）和vWF（綠色）染色。HDMECs（人真皮微血管內皮細胞）能夠覆蓋所有通道的墻壁，形成一個緊密的層。（E）EC的肌動蛋白絲在靜態和（F）動態培養條件下。只有后者顯示出應力纖維束沿流向排列。（B）至（F）圖像中核用Hoechst復染（藍色）。

圖3：ECs排列（定位角度）和形態（形狀指數）。4天后，在點（a）和（b）靜態和動態條件下，比較HDMECs（人真皮微血管內皮細胞）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的血管床。（A）HUVECs（人臍靜脈血管內皮細胞）與脂肪來源的基質細胞（ASCs）在纖維蛋白支架內共培養。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天內保持形狀和穩定。（B）放大視圖。微血管在3 - 7天內形成。脈動血流循環并不影響血管的形成。

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部可見分支的微血管，因此可見整個突出的支架。凝膠大約有3.5毫米厚。

研究總結

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

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

HUVECs與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，為未來的器官整合奠定了基礎。此外，我們設想從大的人造血管（圖2）到最小的自發形成的微毛細血管（圖5）建立一個連續的內皮屏障。這對于類器官（共）培養中的生理相互作用、調節和穩態穩定至關重要。此外，它是在芯片使用血液的先決條件。

北京佰司特科技有限責任公司 

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