机械环境会改变组织功能

美国亚利桑那大学(The University of Arizona)作者在 2019 年综述器官芯片的机械刺激。流动、压缩和拉伸不仅改变细胞形状,还会影响细胞极性、表型及组织功能;药物评价平台因此需要说明自身复现了哪些机械环境。

作者把常见刺激分为剪切流、压缩和拉伸。剪切流又有层流、脉动流和间质流:层流沿通道作用于细胞表面,脉动流随循环变化,间质流则穿过三维细胞外基质。

五种机械刺激示意:层流、脉动流、间质流、压缩及拉伸。

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层流、脉动流、间质流、压缩及拉伸的机械刺激类型示意。(Kattika Kaarj、Jeong-Yeol Yoon,Micromachines,2019,图 1;CC BY 4.0)(Kattika Kaarj、Jeong-Yeol Yoon / Micromachines, 2019, 图1;CC BY 4.0)

肝和肾药物案例依赖不同组织功能

综述介绍一个连续灌流的三维肝芯片,以内皮屏障降低过高剪切对肝细胞的损伤,并维持肝相关代谢功能。该引用研究使用双氯芬酸比较短期与较长时间的肝毒性;流体配置首先服务于模型状态,再用于解释药物结果。

肾小球芯片则把人诱导多能干细胞来源足细胞与人肾小球内皮细胞共培养,同时施加流动和周期拉伸。平台可观察白蛋白与菊粉的滤过,并以多柔比星观察白蛋白尿及足细胞损伤。

组合机械刺激改变肺损伤结果

肺模型案例比较周期拉伸与空气–液体界面相关表面张力。组合两类刺激后,细胞死亡和脱落多于单独拉伸,说明只复现一种力可能漏掉损伤来源。另一个呼吸样模型观察到机械运动会增加与肺水肿有关的血管渗漏。

组合刺激有助于接近组织环境,却也使系统更难控制。作者指出,某些肺芯片构型几何复杂,可能影响复现和长期运行;骨组织同时经历多种力,完整组合的芯片设计仍在推进。

刺激方式与实时观察需要一起设计

综述总结,外部注射泵便于设定流动,片上泵可缩小系统;倾斜、重力与液位差等方案更简单。压缩可由活塞或隔膜传递,周期负压可用于拉伸。

细胞对拉伸的反应可能在数秒内发生,固定时间的终点检测未必能捕捉突然出现的连接破坏。综述介绍同步拉伸与成像,以及便携荧光观察与肾毒性芯片结合的例子,强调需要在刺激过程中持续观察细胞。

来源与延伸阅读

  1. Methods of Delivering Mechanical Stimuli to Organ-on-a-Chip. Micromachines. 2019. doi:10.3390/mi10100700 ↗