肺芯片被設(shè)計(jì)用于改善現(xiàn)有體外肺泡 - 毛細(xì)血管界面模型的生理相關(guān)性，這種多功能微實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以再現(xiàn)人肺泡毛細(xì)血管界面（即活肺的基本功能單元）的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、功能和機(jī)械性質(zhì)。Wyss Institute的Dongeun Huh受哈佛大學(xué)的生物啟發(fā)工程部的委托，設(shè)計(jì)了一個(gè)由PDMS制成的薄（10μm）多孔柔性膜分開(kāi)的兩個(gè)緊密貼合的微通道結(jié)構(gòu)。該裝置主要包括三個(gè)微流體通道，只有中間有多孔膜，如圖所示。將不同的細(xì)胞培養(yǎng)在膜兩側(cè)生長(zhǎng)：一側(cè)為人肺泡上皮細(xì)胞，另一側(cè)為人肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞。通道的分隔不僅有助于將空氣流作為流體將細(xì)胞和營(yíng)養(yǎng)物遞送到上皮的頂端表面，而且還允許中間和側(cè)面通道之間存在壓力差。在人類(lèi)呼吸循環(huán)的正常啟動(dòng)過(guò)程中，胸膜內(nèi)壓降低，引起肺泡擴(kuò)張。當(dāng)空氣被吸入肺部時(shí)，毛細(xì)血管中的肺泡上皮和耦合的內(nèi)皮被拉伸。由于側(cè)通道連接到真空，引起壓力降低導(dǎo)致了中間通道擴(kuò)張，從而拉伸多孔膜，隨后拉伸整個(gè)肺泡-毛細(xì)管界面。

圖1 肺芯片裝置及功能示意圖：該裝置由三個(gè)中空微通道組成，只有中間通道在水平方向被多孔膜隔成兩個(gè)部分，在多孔膜的兩側(cè)分別接種內(nèi)皮細(xì)胞或上皮組織細(xì)胞。側(cè)通道連接真空泵，可通過(guò)氣泵對(duì)膜進(jìn)行拉伸以模擬由于隔膜的收縮引起胸膜內(nèi)壓降低，所導(dǎo)致的肺泡擴(kuò)張。

壓力驅(qū)動(dòng)膜拉伸的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)也被描述為周期性機(jī)械應(yīng)變（值約為10％），與該裝置的靜態(tài)培養(yǎng)以及Transwell細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)相比，顯著增加了穿過(guò)多孔膜的納米顆粒易位速率。為了充分驗(yàn)證器件的生物學(xué)效用性，必須對(duì)整個(gè)肺器官的反應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。在這種情況下，研究人員一共做了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：

?肺部炎癥

肺部炎癥反應(yīng)一個(gè)多步驟的反應(yīng)過(guò)程，但是隨著上皮細(xì)胞產(chǎn)生的增加和細(xì)胞因子的早期應(yīng)答釋放，界面的細(xì)胞粘附分子數(shù)量[5]應(yīng)該會(huì)增加。在Huh的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)加入含有強(qiáng)力促炎介質(zhì)的培養(yǎng)基來(lái)模擬肺部炎癥。在造成損傷后幾小時(shí)，微流控裝置中的細(xì)胞根據(jù)前述生物反應(yīng)受到環(huán)狀應(yīng)變的而發(fā)生響應(yīng)。

?肺部感染

使用大腸桿菌系統(tǒng)來(lái)證明甚至可以模擬細(xì)菌肺部感染的自然細(xì)胞反應(yīng)。將細(xì)菌引入肺泡上皮的頂端表面之后的幾小時(shí)內(nèi)，在肺泡腔中能檢測(cè)到嗜中性粒細(xì)胞，這意味著它們已經(jīng)從血管微通道轉(zhuǎn)移，多孔膜已經(jīng)開(kāi)始吞噬細(xì)菌。

此外，研究人員認(rèn)為，這種肺片上系統(tǒng)的潛在價(jià)值將有助于毒理學(xué)應(yīng)用。 通過(guò)調(diào)查對(duì)納米顆粒的肺部反應(yīng)，研究人員希望在某些環(huán)境中更多地了解健康風(fēng)險(xiǎn)，并糾正以前過(guò)于簡(jiǎn)單的體外模型。 因?yàn)槲⒘黧w肺上芯片可以更精確地再現(xiàn)活人肺的機(jī)械性質(zhì)，因此其生理反應(yīng)將比Transwell培養(yǎng)系統(tǒng)更快更準(zhǔn)確。 然而，已發(fā)表的研究承認(rèn)，肺片上的反應(yīng)尚未完全復(fù)制天然肺泡上皮細(xì)胞的反應(yīng)。

（作者：陳有靈犀 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）