正常结肠黏膜上皮的苏木精–伊红染色显微图像。
正常结肠黏膜上皮的苏木精–伊红染色显微图像。(Mikael Häggström / Wikimedia Commons;CC0 1.0)

基底侧流动让二维上皮开始三维生长

用于药物吸收和转运的肠模型,既要能接近上皮两侧,也要检查细胞形成了怎样的组织结构。2022 年,美国得克萨斯大学奥斯汀分校(The University of Texas at Austin)与韩国延世大学(Yonsei University)研究人员在 Nature Protocols 介绍两种流动培养平台:双通道肠芯片,以及把 Transwell 培养插入物接入微流控装置的混合芯片。

作者根据此前验证提出,移走上皮向基底侧分泌的形态发生抑制因子,是促成三维生长的关键。方案关注 Wnt 信号拮抗物 DKK-1 等的积聚;基底侧培养液流动帮助带走这些分泌物,使已形成的单层上皮逐渐出现向腔面突出的结构。

方法分别使用 Caco-2 细胞和人肠道类器官来源上皮。图 4 的混合平台示例来自正常供者升结肠的 C103 细胞系。上皮在启动基底侧流动前先形成连续单层,因此三维形态的判定需要联系先前细胞覆盖和屏障状态。

两种平台的流动与组织高度不同

双通道装置在聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)多孔膜的上下两侧供液,并可施加周期牵张。一个具体条件是在 500 μm 高通道中以 50 μL/h 供液,对应 0.02 dyne/cm² 剪切应力,再配合 10% 应变、0.15 Hz 牵张;作者强调,流量要随通道几何调整。

混合平台则把已经长好单层的 Transwell 插入物装入装置,只在基底侧通道连续供液;顶端保持静态并定期换液。具体步骤给出 30 μL/h 基底流量。主文概述两平台在基底流动后 3–5 天出现三维形态,而双通道和混合平台的具体步骤均另列 2–3 天,两处时间描述不同。

作者用相同类器官细胞举例,双通道芯片中的上皮高度约 150 μm,混合平台约 70 μm,并提出顶端静态和缺少机械变形可能参与造成差别。该段是代表性高度比较,没有给出供者间变异或统计样本量。

形态、细胞标志和静态对照要一起检查

相差和微分干涉显微成像可在培养中连续观察三维突出;共聚焦成像进一步检查上皮空间结构。文中展示了干细胞标志 LGR5、杯状细胞标志 MUC2 及紧密连接标志 ZO-1 的定位。这些信息分别说明组织形态、细胞状态和连接结构。

方法建议用相同来源细胞的静态二维单层作为对照,也可比较基底流动启动前后的形态。但直接让芯片长期静置有额外问题:原设计上通道容量约 4 μL,可能出现营养耗竭。此时观察到的差异同时受营养条件影响。

本文模型只包含上皮,没有加入间质、内皮或免疫细胞;三维起伏也尚未完整重现人体隐窝–绒毛的尺寸和分区。作者因此把细胞组分和结构的进一步完善列为后续问题。面向不同吸收或损伤研究时,应按具体用途选择需要保留的组织层次。

药物暴露和规模化仍需另行验证

上皮顶端与基底侧均可接近,使这类平台便于安排药物吸收和转运研究。不过,PDMS 会非特异吸附部分疏水小分子;因此,除形态质量外,还需围绕具体分子检查材料损失和实际回收情况。本文没有报告新的候选药物吸收预测性能。

现方案还需每个装置配置注射泵,占用培养空间,尚未成为通用高通量平台。作者讨论向 24、96 或 384 孔格式扩展,并提到此前 24 孔概念验证;这些规模化方向应与当前双通道和混合平台的实际检测条件分别判断。

来源与延伸阅读

  1. 3D in vitro morphogenesis of human intestinal epithelium in a gut-on-a-chip or a hybrid chip with a cell culture insert. Nature Protocols. 2022. doi:10.1038/s41596-021-00674-3 ↗