拉伸方向和计算方式决定百分数的含义

肺与皮肤都持续受到机械力作用,但变形的方式和组织结构不同。伯尔尼大学(University of Bern)与美国罗格斯大学(Rutgers University)的研究者在 2018 年的 Biomicrofluidics 综述中,比较了向体外屏障施加拉伸的微流控体系,讨论这些条件如何影响细胞及潜在药物评价。

芯片可以产生单向、双向或三维形变,也可以在同一培养区形成不同的应变分布。线性应变按长度变化计算,面积应变按表面扩张计算;“10% 拉伸”只有同时说明定义和方向,才具备明确的比较意义。

综述给出等向扩张时的换算关系:两个方向长度各增加 10%,面积会增加约 21%。该关系以等向形变为前提。作者指出,不同实验室采用的应变形式、幅度与频率各异,跨平台比较时需要分别核对。

多孔膜让形变与屏障转运在同一体系观察

没有多孔膜的拉伸平台可用于观察细胞形态和功能;加入多孔膜后,可分别在两侧培养上皮与内皮等细胞,并测量跨细胞层的物质运输。培养液从膜下供给,还能支持肺或皮肤模型的气液界面。

综述比较了不同呼吸样肺芯片构型。部分装置将膜沿一个方向拉伸,另一些通过膜下的压力变化产生三维形变。原代人肺泡上皮的相关研究显示,牵张可改变代谢活动与细胞因子分泌;这些变化与装置复现的力学条件有关。

文中还引述了利用肺芯片研究药物毒性相关肺水肿的例子。屏障渗漏、细胞状态与形变共同构成观察对象,动态力学条件应与检测结果一并记录,用于解释药物对屏障的影响。

拉伸方向会改变细胞的增殖与基质反应

在皮肤中,基质承担大量机械负荷;损伤后,成纤维细胞网络承担更多牵拉并参与伤口收缩。肺组织则同时受到呼吸运动、流动及表面张力等作用,纤维化还会改变基质刚度。两类屏障的生理背景不同。

综述列举的细胞比较显示,单轴、双轴及不同方向性的拉伸,会对平滑肌和成纤维细胞产生不同的增殖、排列或基质反应。作者当时尚不能给出一种统一应变形式,保证所有细胞都产生与体内相同的反应。

成纤维细胞通过细胞黏附和骨架感知机械环境,并与转化生长因子 β(transforming growth factor β,TGF-β)等生化信号相互影响。力学环境还可改变基质中活性分子的暴露或释放,因此在抗纤维化研究中,材料、形变与分子刺激需要一起考虑。

综述介绍的成纤维细胞机械传导:基质、黏附、细胞骨架与生化信号相互影响。

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综述介绍的成纤维细胞机械传导:基质、黏附、细胞骨架与生化信号相互影响。(Olivier T. Guenat and François Berthiaume / Biomicrofluidics, 2018, Figure 4;CC BY 4.0)

药物模型应同时报告应变与测量任务

作者的结论是,应变的类型、幅度和频率,需要像培养环境中的其他条件一样受到重视。药物结果若来自不同拉伸体系,应先核对施加了怎样的形变、作用于哪些细胞,以及测量的是屏障、代谢、细胞因子还是组织结构。

综述还提出,将力学控制与传感、成像或电刺激结合,在较大规模实验中同时记录形变和生化信息。进一步研究机械信号与生化信号如何共同作用,有助于发现与力学环境相关的药物研究方向。

来源与延伸阅读

  1. Incorporating mechanical strain in organs-on-a-chip: Lung and skin. Biomicrofluidics. 2018. doi:10.1063/1.5024895 ↗