原代细胞先扩增,再转入 24 孔芯片

瑞士 University of Bern 团队在 Lab on a Chip 介绍肺泡芯片,用可变形培养面重现肺泡上皮受到的周期机械牵张。研究材料来自 7 位接受肺癌手术的供者,但取用的是肿瘤旁、经组织学确认未受肿瘤累及的肺组织。

团队先富集肺泡Ⅱ型上皮细胞,再以类器官扩增。扩增后的类器官含肺泡Ⅱ型、Ⅰ型和过渡态上皮细胞;解离后将这些细胞接种到芯片。因此,芯片上的细胞层来自混合肺泡上皮群体。

器件由聚二甲基硅氧烷(PDMS)整体成型,包含开放培养室、40 μm 薄膜和下方气动阵列。薄膜下的圆形腔体直径约 500 μm,连接处最窄约 150 μm;加压使膜面鼓起,撤压后回弹。24 孔板形式使多个培养条件可并行处理。

内皮条件培养基加快类器官生长

为了获得足够的原代细胞,作者比较 3 种培养条件:基础肺泡培养基、加入 25% 新鲜内皮生长培养基,以及加入 25% 内皮条件培养基。后者由人脐静脉内皮细胞培养 2 天的上清过滤后制备,肺泡类器官中不直接加入内皮细胞。

14 天的成像比较中,3 组平均类器官截面积分别为 2,791.67、5,478.75 和 7,425.81 μm²;2 种补充培养基组分别约为基础组的 1.96、2.66 倍。这项比较涉及 5 位供者,每位供者有 3–7 个重复,面积图中的每个点代表 1 个类器官。

W8 系统按类器官的沉降速度测量尺寸和密度,结果也显示基础组与补充组有差异,但新鲜培养基与条件培养基之间未见显著差异。作者将促进生长与内皮分泌的因子联系起来,具体起作用的因子仍属于机制假设。

400 mbar 驱动约 10% 牵张,24 小时后测转录

团队先测量 0–800 mbar 气压下的膜面位移,并用有限元模型比较。气压为 240、400、520 mbar 时,按膜面变形换算的等效线性应变约为 5%、10%、15%。实际膜面各处应变不同,中央较大、腔体边缘较小。

在 37°C 预培养 5 天后,400 mbar、0.25 Hz 的循环加压持续 10 天,线性应变由 10.4% 缓降至 9.2%;其中 24 小时内由 10.4% 降至 9.8%。这些测量用于确定后续细胞实验的牵张条件。

细胞实验使用 3 位供者的类器官来源细胞。每个芯片接种 25,000 个细胞,培养 6–7 天形成上皮层;随后以 0–400 mbar、0.25 Hz 牵张 24 小时,与未牵张组比较。转录分析共使用 6 个样本。

基因集分析显示,牵张后自噬、内质网蛋白加工、G2/M 细胞周期检查点及雷帕霉素靶蛋白复合物 1(mTORC1)信号相关转录程序上调,部分脂肪酸和氨基酸代谢、细胞黏附及干扰素 α 反应程序下调。肺泡上皮祖细胞相关标记羧肽酶 M 的表达下降;作者认为这可能与机械刺激下的细胞成熟有关。

原 Figure2 展示肺泡阵列变形、模拟与实测气压—位移曲线、线性应变换算和 10 天机械稳定性。

窄屏可横向滑动查看完整图表。

肺泡芯片的膜面变形模拟、气压—位移关系及连续牵张 10 天的线性应变测量。(Mohammad Amin Hajari 等 / Lab on a Chip, 2025, Figure 2;CC BY 3.0)

非多孔膜适合力学研究,屏障检测仍待扩展

这套芯片把供者来源细胞扩增与可调机械牵张结合,便于比较肺泡上皮对培养环境的反应。其非多孔膜和浸没式培养尚不支持气—液界面、跨上皮电阻或通透性检测;加入微血管来建立气血屏障,是作者提出的扩展方案。

当前结果主要来自转录变化,自噬相关基因集上调尚未对应直接的自噬通量测量。作者提出未来用于疾病建模和个体化药物评价;本项研究实际完成的是细胞来源、膜面力学和牵张反应的表征。

来源与延伸阅读

  1. A novel alveoli-on-chip platform for modeling cyclic stretch in patient-derived alveolar epithelial cells cultured from organoids. Lab on a Chip (2025). ↗