基于微流控技术的仿生肝芯片的研究

发布时间：2020-06-07 23:00

【摘要】：肝脏是人体最重要的器官之一,具有复杂的微结构和独特的微环境,执行着多种重要的功能。肝脏一旦发生病变将会严重损害人体健康,因此,深入了解肝脏生理、病理机制以预防、诊断、治疗肝病十分必要。目前,针对肝脏生理、病理机制的研究主要是基于动物模型。动物模型虽然在模拟生理环境方面具有优势,但是其耗时长、不可控、无法量化、难以执行多参数实验,也不能可视化揭示病变导致的细胞行为变化。基于微流控技术的肝芯片是近年来迅速发展的、有望替代动物模型的新颖工具,其通过在芯片上构建肝组织功能单元并提供生理相似的理化微环境,从而达到模拟肝脏的目的。当前,肝芯片研究己取得积极的进展,但仍有很多技术难点没有攻克,比如:如何实现多种细胞的三维有序长期共培养,如何重构高度仿生的肝超微结构,如何精准提供生理相似的理化条件等。据此,本文设计了三种肝芯片以期望解决上述难点,主要内容如下:第一种是模仿肝窦血流的肝芯片。在该芯片中,利用细胞培养区两侧相对流动的培养基的压力差以产生跨细胞培养区的对流,从而模拟肝窦血流。该设计大大增强了细胞培养区营养物的输运,实现了高密度大尺寸肝细胞培养。本文实验观察了不同灌注流速下的细胞存活分布和理论模拟了细胞培养区的氧气浓度分布,证实了模拟的肝窦血流可促进物质的输运,从而促进细胞的培养。主要实验结果显示,肝细胞代谢活力和解毒能力表现良好,培养7天时肝细胞密度在3mm厚的尺寸上能够达到7 × 107cells/mL。第二种是组织界面重构的肝芯片。在该芯片中,通过将双层微球(肝细胞位于双层微球内层,肝星形细胞位于外层)和内皮细胞置于水凝胶中以构建肝组织界面,并设计了三脉管系统(肝动脉、肝静脉和中央腔静脉)以提供生理相似的理化微环境。主要实验结果显示,肝芯片细胞培养区形成了血管化的肝组织结构,肝细胞代谢物(尿素)和合成物(白蛋白)的浓度随着培养时间的增加而增加。这表明生理相似的组织界面和理化环境有利于保持肝脏功能。第三种是基于细胞片的肝小叶芯片。在该芯片中,通过将培养皿中3D培养的肝脏细胞-星形细胞片和内皮细胞置于水凝胶中以构建肝组织界面,并增加了氧传感芯片以控制肝芯片动脉、静脉入口培养基溶解氧浓度。该芯片可同时模拟肝动脉、静脉之间的氧气浓度和营养物浓度差异,其封装的多细胞层独特结构更加接近肝脏内部细胞的排布方式。主要实验结果显示,在该芯片上可观察到肝细胞板结构、血管网络结构以及类胆小管结构;在药物对乙酰氨基酚的作用下,共培养的肝细胞的损伤明显低于单独培养的肝细胞的损伤。本文不但为肝芯片进一步仿生化设计提供了新思路,也为药物测试、药物筛选、肝病建模等提供了有力的工具,因而具有十分重要的理论和应用价值。
【图文】：

肝细胞,芯片,介电泳,混合药物

逦第１章绪邋论逦逡逑星形细胞、枯否细胞、肝窦内皮细胞等）。Ｋｉｄａｍｂｉ等人使用合成离子聚合物的逡逑逐层沉积法形成图案化的细胞共培养模型，，首先在聚电解质多层（ＰＥＭ）表面上逡逑形成磺化聚苯乙烯（ＳＰＳ）图案，然后种上鼠肝细胞和ＮＩＨ３Ｔ３成纤维细胞，由逡逑于肝细胞更容易附着在ＳＰＳ表面，因此便形成了图案化共培养模式，结果显示逡逑这种共培养模式下肝细胞维持肝功能的时间比单独培养模式下更长［２９］。Ｈｏ等人逡逑利用介电泳操控人肝癌细胞（Ｈｕｍａｎ邋Ｌｉｖｅｒ邋Ｃａｒｃｉｎｏｍａ邋Ｃｅｌｌ邋Ｌｉｎｅ；邋ＨｅｐＧ２）和人肪逡逑静脉内皮细胞（Ｈｕｍａｎ邋Ｕｍｂｉｌｉｃａｌ邋Ｖｅｉｎ邋Ｅｎｄｏｔｈｅｌｉａｌ邋Ｃｅｌｌ；邋ＨＵＶＥＣ）的有序排列，实逡逑现了大量细胞的分区培养［１９］。此外，文献中还有多种基于２Ｄ微图案技术实现的逡逑细胞定向共培养模式［３（）＿３５］，尽管上述方法可以实现细胞的定向共培养，但仍是逡逑２Ｄ培养，不能够更好地模拟３Ｄ体内微环境。逡逑

芯片,肝细胞,图注,乙型肝炎病毒感染

逦ｐａＵｒｒｏｉａｇ邋Ｈ逡逑ｅｌ＾ｔｒｏｄｆ邋＿相yU８｜Ｓ＾｜ｐｉ＾１｜ｐＳ８＾—逡逑图１．２邋２Ｄ肝芯片逡逑图注：（ａ）基于肝芯片培养模式提高肝细胞的特异性功能［２６］；邋（ｂ）基于肝芯片的混合药物逡逑系统评估［２７］；邋（ｃ）利用介电泳操控肝细胞和人脐静脉内皮细胞的有序排列，以实逡逑现多细胞的分区培养［１９］；邋（ｄ）基于介电泳模式的肝窦芯片用于药物毒性测试Ｍ逡逑１．２．２类组织３Ｄ肝芯片逡逑近年来，微技术的发展使得３Ｄ微组织工程得到飞速发展，３Ｄ微组织发展逡逑的优势主要体现在两个方面。第一，与２Ｄ培养的肝细胞相比，肝细胞在３Ｄ培逡逑６逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318

【相似文献】