让血管连接到类器官内部
2024 年 2 月 16 日，Nature Communications 发表格勒诺布尔、加拿大不列颠哥伦比亚大学及合作团队的血管化类器官芯片研究。团队要解决的问题，是如何让培养液沿血管样网络进入三维组织。
较厚的三维组织需要持续获得氧气和营养，并排出代谢产物。论文因此把结构连接、微粒通行、组织生长和生理功能分别作为检查内容。
同一芯片承载不同三维组织
平台采用环烯烃共聚物（cyclic olefin copolymer，COC）制作微流控芯片，具有 10 条可并行监控的微通道。作者选择这种材料，也考虑了它对小分子的吸收较低，有利于后续药物暴露研究。组织被定位在通道内的捕获位置，周围形成含内皮细胞和支持细胞的环境，再由外部流体系统提供持续流动。
作者分别使用间充质球状体、人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）来源血管类器官和人胰岛球状体。它们承担不同验证任务：前者观察网络连接，血管类器官检查内部灌流与成熟，胰岛球状体则提供能够测量分泌功能的另一种组织实例。
论文还展示其他基质和肺类器官在装置中的定位与生长。
先建立相互连接的内皮网络
在人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVECs）与成纤维细胞组成的球状体中，流动条件促进血管样网络形成。作者比较网络总长度、分支、连接点和网孔。
研究用不同荧光标记区分球状体内部和周围的内皮细胞，观察到两部分网络逐渐连接。荧光微粒的运动轨迹进一步显示，连接后的网络可以支持流体通行。
微粒追踪还提供了流速信息。在较低流量的测试条件下，网络内平均流速约为 502 μm/s，血管壁剪切速率约为 134 s⁻¹，落在人毛细血管相关参考范围内。改变外部流动后，两项指标随之升高，显示该平台能够调节血管网络所受的流体刺激。
微粒追踪确认血管类器官内部灌流
血管类器官内部形成具有管腔、周细胞覆盖和基底膜特征的毛细血管。芯片周围的 HUVEC 网络与这些内部血管发生连接，形成较粗外部血管到较细内部毛细血管的层级结构。
作者测得外部 HUVEC 血管平均直径约 37 μm，类器官内部血管约 8 μm。研究还用三维成像和距离分析检查它们是否真正接触。
微粒追踪捕捉到微粒进入类器官血管，并在深部血管腔内定位。没有周围 HUVEC 网络时，未观察到相同的内部灌流。周围网络在部分实验中稳定维持至第 30 天。
流动与血管化共同影响生长和成熟
团队设置静态或流动、具有或不具有周围内皮网络的 4 种条件。第 0 天至第 10 天的比较显示，流动加内皮网络条件下，血管类器官生长较好，网络组织和细胞外基质重塑也更明显。
作者指出，流动条件下同时改变了机械刺激、氧气和营养供应，因此这些因素都可能影响组织生长。
转录组比较发现了与细胞外基质和血管发育有关的表达变化。研究进一步与既有小鼠移植后的人源血管类器官数据比较，流动加血管化条件最接近该参照的表达状态。
胰岛分泌提供另一种功能评价
胰岛实验使用商业 EndoC-βH5 β 细胞，与内皮细胞和成纤维细胞共同组成球状体。
在胰岛球状体实验中，团队同样分别比较流动和周围内皮网络。基础胰岛素分泌没有显著组间差异，高糖刺激则使各组分泌增加。流动与血管化共同存在时，高、低糖条件下胰岛素分泌比值构成的刺激指数，高于其他芯片条件和常规孔板条件。
仅加入流动或仅加入周围内皮网络，没有获得相同的刺激指数改善。组合条件也出现较大变异，作者认为可能与血管网络质量或覆盖程度不同有关。
平台工程问题与后续药物研究
作者计划利用可灌流的模型研究组织寿命、药物暴露和代谢应激，并探索其他类器官、肿瘤球状体及人组织样本的血管化。
作者同时讨论装置加载时的细胞损失、较大组织的细胞需求及周围基质厚度控制。芯片材料、定位方式和并行通道有利于后续应用，但扩大使用仍需要处理这些工程问题。