
闭环模块按组织分别调节培养液氧水平
美国哈佛大学(Harvard University)及合作团队开发闭环模块化器官芯片,用实时光学传感和自动控制调节培养液中的氧。系统包含微组织培养区、降氧单元和全局增氧单元,已测试的控制范围为 4%–20%,持续培养观察最长 7 天。
培养箱通常给各模型相同的环境氧条件,而不同组织需要的氧水平并不相同。研究将肝、肾和血管微组织的支路并联到同一平台,各支路独立控制氧,分别调节培养液中的溶解氧;平台所在环境的氧水平为 21%。
氧传感器用荧光信号校准氧水平,可在 0%–20% 范围测量。测试中,氧从 20% 降至 5% 时响应约 140 秒,反向变化约 60 秒,反映了传感器对氧变化的响应时间。
三种微组织保留各自细胞来源
肝模型采用人肝癌细胞系 HepG2/C3A,肾模型采用人近端肾小管细胞系 HK-2,血管模型采用人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)。细胞置于三维水凝胶微组织中;论文称血管模型用于模拟动脉血管,但其内皮来源是脐静脉。
团队先在静态培养和独立芯片中比较 5%、13% 及 20% 氧。存活、增殖和分泌相关结果共同显示,肝与血管微组织在 13% 氧下较好,肾微组织在 5% 氧下较好。
分别供氧后,存活和功能指标呈现不同结果
在分别供氧的并联系统中,肝微组织第 7 天存活率约 94%,与静态培养的 95% 及独立芯片的 92% 没有显著差异。肝微组织中的死细胞主要分布在水凝胶中央,作者认为可能与氧及营养的扩散差异有关。
肾微组织第 7 天存活率约 96%,肾损伤分子 1(kidney injury molecule-1,KIM-1)分泌比静态培养和独立芯片分别低 15% 与 12%。血管模型的增殖及内皮素 1 分泌则与另两种培养方式接近。原图标注 n=3,但论文主文未明确这些重复是独立芯片、培养批次还是检测重复。
统一氧水平的培养箱比较说明配置问题:第 7 天,在 5% 氧下肝、肾、血管微组织存活率分别约 70%、94% 和 80%;在 13% 氧下分别约 96%、80% 和 98%。单一条件可以适合部分组织,却难以让三种组织同时接近各自较好的状态。
对乙酰氨基酚暴露揭示氧条件下的药物反应
研究以对乙酰氨基酚(acetaminophen,APAP)进行体外安全性概念验证,比较静态、独立芯片及并联芯片。在所测 5 mmol/L 体外暴露条件下,各模型从第 1 天至第 7 天都出现明显存活损失,肝微组织的存活、增殖和功能下降总体更明显。
并联肝微组织在 13% 氧下,经 7 天 APAP 暴露后白蛋白产量下降约 93%;在 5% 和 20% 氧下分别下降约 92% 与 93%。不同氧条件改变了部分药物损伤表现,但白蛋白的相对下降幅度在这三种条件下接近。研究还比较了缺氧相关因子、糖代谢及葡萄糖转运相关基因的表达,进一步表明氧条件会影响模型状态。
平台尚需解决组织互作和原位功能测量
作者明确指出,三种微组织虽共享平台,却只是并联配置,尚未复现自然的跨组织相互作用。培养液体积较大也会稀释旁分泌信号;器官间通讯和药物选择性转运仍需要进一步设计与验证。
实时监测目前主要针对氧。功能与代谢指标尚需取样分析,打开和重新密封培养区会增加操作负担;更低的组织氧水平、pH 及温度控制、连接处可靠性也列为改进方向。