器官芯片微流控芯片设计

摘要

器官芯片微流控芯片不仅有用且非常有前途，但在设计时需要特别注意，这些微流控芯片模仿细胞的自然栖息地，研究人员必须了解该技术的特权和限制，以最大程度上来还原这种相似性。

在设计器官芯片时，必须仔细考虑三个主要特征：细胞来源、流动动力学和芯片架构。

器官芯片细胞来源

与培养皿或烧瓶中的常规细胞培养物类似，芯片上器官中使用的细胞的常见来源是永生化细胞系。

尽管这些细胞系易于使用和生长，但由于基因修饰，它们不能完全模拟所需器官的功能。

另一种方法是使用直接从身体中分离出来的原代细胞。然而，这些细胞可能会在从主要器官中分离几天后改变它们的基因表达水平。

因此，研究人员已开始使用诱导多能干细胞 (iPSC) 来克服上述问题。

成纤维细胞可以很容易地从供体的皮肤中分离出来，并使用标准方案转化为成体干细胞。

成体干细胞可以增殖并分化为所需的细胞谱系。开发了化学和机械线索，指导 iPSC 分化为特定的细胞类型。

利用 iPSC 的优势在于它们携带与供体相同的遗传密码。因此，可以选择微型器官来高度模拟患者的实际生理状况。

器官芯片流动动力学

除了为细胞培养提供生物学相关的微环境外，微流体技术还提供了对流动动力学的卓越控制。

体内的许多细胞类型都与某些机械力（压缩和张力）或剪切力有关，它们的正常行为取决于这些动态机械或流动条件的存在。

例如，内皮细胞对机械驱动高度敏感。为了使微流体系统模拟实际环境，应考虑流动条件，包括氧气和营养物质速率、血液流速和剪切应力（在剪切敏感细胞的情况下）。

细胞在微流控芯片中承受的主要机械力是剪切力。流体流过细胞会引起摩擦，进而导致细胞在其表面上受到剪切力。

微流体通道中的剪切力取决于流体速度和通道尺寸，需要仔细优化以模拟细胞在体内经历的条件。

如果使用注射泵，可以通过改变微流体通道的高度或注射泵中的输入流速来调整流体流速。

通过这种方式，还可以控制灌注以确保将营养物质和药物化合物正确输送到细胞并有效去除废物。

压缩和张力可以通过在细胞储存器的侧面添加真空通道来调整。

通过真空通道中的循环抽吸/吹气，细胞储存器经历循环张力和压缩。

这对于芯片上的肺或芯片上的肠道非常有帮助，其中细胞需要经受压缩和张力以类似于体内条件。

器官芯片常见结构

与传统的细胞培养方法不同，芯片上的器官允许利用各种结构来更好地模拟细胞的自然环境。根据 OOC 中使用的细胞类型，可以开发适当的结构。 使用微流体制造技术制造的一些常见结构包括但不限于：

-2D 隔室：这些结构是芯片上最简单的器官类型。它们由细胞所在的主要微流体室和一个或多个负责营养和药物灌注的侧通道组成。

侧通道可以通过微阵列与主室分开。侧通道作为静脉，微阵列作为屏障，允许小于一定尺寸的药物通过。

-3D 多孔膜：这里，微流体装置包括三层微流体通道。对于感兴趣的两层细胞相互作用的情况，它是一个合适的平台。

通常，在底部通道中培养特定类型的细胞，并通过中间多孔膜与顶部通道接触，其中培养另一种细胞类型。中间的膜是多孔的，允许细胞之间的串扰。

在更复杂的系统中，可以向这些芯片添加侧信道。如果连接到真空，侧通道可以拉伸和变形中间细胞培养室。这些侧通道的周期性抽真空导致细胞周期性运动。

这种配置适用于芯片上的器官，其中可以想象在细胞的自然栖息地（例如芯片上的肺和芯片上的心脏）中的周期性运动。 

芯片上的微流体器官用途广泛，不仅限于这些类型。研究人员的创造性思维每天都在改进芯片上的器官。仅举几例，用于在吸烟时模拟肺气道的微流体芯片、具有心肌和骨骼肌收缩功能的芯片以及能够净化血液的肝脏芯片都属于这些创新。