如何利用微流控芯片來(lái)“合成”人造組織

在天然組織中，各種不同的細(xì)胞以高度規(guī)范的方式組裝和協(xié)作。那么，我們是否也可以在體外復(fù)制這樣的精細(xì)結(jié)構(gòu)和功能呢？從化學(xué)的角度考慮，細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)可以被認(rèn)為是組織工程中化學(xué)合成反應(yīng)的底物，而微流控芯片則像一座微型的“生物工廠”，可以生產(chǎn)多種不同的組織或器官。

Figure1.利用微流控芯片“合成”組織示意圖

微流控芯片上的各種理化因素可以被認(rèn)為是催化這些生物合成反應(yīng)的“催化劑”，通過(guò)降低合成反應(yīng)的活化能有效加速這些合成反應(yīng)的進(jìn)行，精確地調(diào)控一系列細(xì)胞行為，包括細(xì)胞粘附、遷移、生長(zhǎng)、增殖、分化、細(xì)胞-細(xì)胞相互作用和細(xì)胞-基質(zhì)相互作用等。因此，在微流控芯片這個(gè)生物工廠中，各種各樣合成反應(yīng)將底物材料（細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)）以非線性的方式變成產(chǎn)物（組織）。

Figure2.細(xì)胞粘附和遷移的幾何約束和動(dòng)態(tài)控制。(a).細(xì)胞被限制在微區(qū)內(nèi)，電壓脈沖將細(xì)胞從這些微區(qū)中釋放出來(lái)。(b).淚滴形狀的圖案在金表面使細(xì)胞發(fā)生極化。(c).通過(guò)不同尺寸的圖案實(shí)現(xiàn)軸突分支控制。(d).電壓誘導(dǎo)的細(xì)胞釋放。(e).通過(guò)選擇性控制細(xì)胞釋放和遷移模擬細(xì)胞間多種相互作用。(f).幾何形狀和基底化學(xué)表面控制神經(jīng)細(xì)胞的聚集和定位。(g).通過(guò)Y型微流通道內(nèi)進(jìn)行不同蛋白的圖案化

通過(guò)精細(xì)地組織這些底物材料和控制產(chǎn)物的活性，微流控芯片不僅可以合成組織，還可以重現(xiàn)生理和病理生理過(guò)程，比如免疫響應(yīng)、血管再生、傷口愈合和腫瘤轉(zhuǎn)移。

Figure3.光或電誘導(dǎo)的細(xì)胞粘附。(a).通過(guò)光響應(yīng)表面實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的可逆黏附。(b).通過(guò)動(dòng)態(tài)改變表面黏附區(qū)域選擇性控制細(xì)胞黏附。(c).通過(guò)電位控制RGD多肽構(gòu)象從而控制細(xì)胞的可逆粘附

國(guó)家納米科學(xué)中心微流控納米生物課題組在Acc. Chem. Res.上，發(fā)表了題為"Synthesizing Living Tissues with Microfluidics"的綜述。在這篇綜述中，作者借用化學(xué)學(xué)科中“合成”的概念，來(lái)描述如何利用微流控芯片來(lái)“合成”人造組織。目前，科學(xué)家已經(jīng)利用微流控芯片合成了各種各樣的組織。

圖4.通過(guò)微流控技術(shù)構(gòu)建片層組織結(jié)構(gòu)

文章總結(jié)了該課題組及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究組利用微流控芯片通過(guò)“逐步合成法”和“一步合成法”，以前所未有的精度和速度制備了多種目標(biāo)組織的研究工作。通過(guò)優(yōu)化組織合成條件，利用“逐步合成法”可以制備具備多層結(jié)構(gòu)的組織，比如血管；而利用“一步合成法”可以制備功能性三維組織結(jié)構(gòu)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

圖5.通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)自卷曲膜（SIRM）來(lái)合成管狀組織結(jié)構(gòu)。(a).通過(guò)SIRM制作管狀結(jié)構(gòu)的示意圖。(b).通過(guò)細(xì)胞層組裝和SIRM結(jié)合的方法來(lái)構(gòu)建多層管狀結(jié)構(gòu)。(c).通過(guò)SIRM來(lái)制備管狀結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)的過(guò)程

基于這些研究，許多生理病理過(guò)程，比如傷口愈合、腫瘤轉(zhuǎn)移和動(dòng)脈粥樣硬化等過(guò)程的機(jī)理可以得到深入研究。這種“基于微流控芯片的組織合成”系統(tǒng)為未來(lái)的基礎(chǔ)研究和生物醫(yī)藥應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)和思路。

圖6.利用微流控芯片通過(guò)“一步法”合成組織。(a).微流控腎臟血液尿液物質(zhì)交換單元模型。(b).微流控腦三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

在這篇綜述中，作者強(qiáng)調(diào)了基于微流控芯片的組織合成的概念，并總結(jié)了近年來(lái)通過(guò)微流控芯片技術(shù)來(lái)合成組織的相關(guān)進(jìn)展。文章總結(jié)了利用微流控芯片以前所未有的精度和速度制備了目標(biāo)組織。

圖7.基于微流控芯片的傷口愈合模型和傷口敷料篩選。(a).細(xì)胞共培育和傷口選擇性產(chǎn)生的微流控傷口模型。(b).基于微流控芯片的傷口敷料篩選模型。(c).細(xì)菌纖維素傷口敷料在微流控芯片上的評(píng)估。(d).納米抗菌敷料的制備過(guò)程示意圖。(e).抗菌金納米粒子的合成過(guò)程及其在促進(jìn)傷口愈合中的應(yīng)用

通過(guò)利用和優(yōu)化這些組織合成條件，“逐步合成法”可以制備多層組織，比如血管；“一步合成法”可以制備功能性的三維組織結(jié)構(gòu)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等?；谶@些研究，許多生理過(guò)程，比如傷口愈合、腫瘤轉(zhuǎn)移和動(dòng)脈粥樣硬化等可以得到深入研究。這種“基于微流控芯片的組織合成”系統(tǒng)為未來(lái)基礎(chǔ)研究和醫(yī)藥應(yīng)用中的人造組織提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖8.基于微流控芯片的藥物篩選。(a).在微流控芯片上研究GNC-siRNA抑制胰腺癌發(fā)展。(b).可以同時(shí)產(chǎn)生流體剪切力和循環(huán)拉伸力的微流控芯片示意圖。(c).早期動(dòng)脈粥樣硬化模型的構(gòu)建及藥物篩選。