上海大學(xue)高興華(hua)：基(ji)於中(zhong)空微(wei)纖(xian)維組裝的內(nei)分泌胰腺(xian)芯片，用(yong)於糖(tang)替(ti)代品評估

近年來(lai)，非(fei)傳(chuan)染性疾(ji)病（NCD），如(ru)II型(xing)糖(tang)尿(niao)病、心(xin)血(xue)管疾(ji)病和(he)高血(xue)壓(ya)等(deng)已(yi)經成為(wei)了(le)全(quan)球(qiu)的(de)主(zhu)要(yao)死亡(wang)原因。在這(zhe)其中，過量攝入高熱量糖(tang)與(yu)肥胖和(he)許多非(fei)傳(chuan)染性疾(ji)病風(feng)險(xian)高度(du)相(xiang)關(guan)。已(yi)有(you)研(yan)究(jiu)表明，減少(shao)高熱量糖(tang)的(de)過量攝入可以降(jiang)低患(huan)齲齒(chi)、肥(fei)胖(pang)、糖(tang)尿(niao)病、高血(xue)壓(ya)和(he)癌(ai)癥(zheng)的風(feng)險(xian)。因此(ci)，隨(sui)著(zhe)人們(men)對(dui)低糖(tang)、低(di)熱量健(jian)康(kang)飲(yin)食(shi)的(de)需求不斷(duan)增加，人工(gong)甜味(wei)劑在食品工(gong)業中作為(wei)糖(tang)替(ti)代品的需(xu)求越(yue)來(lai)越高。相(xiang)應(ying)的，這(zhe)些(xie)糖(tang)替(ti)代品對(dui)人體(ti)的影(ying)響評估就(jiu)顯得(de)極(ji)為(wei)必(bi)要(yao)。

近期(qi)，上(shang)海大學(xue)材料(liao)基(ji)因組工(gong)程研(yan)究(jiu)院(yuan)高興華(hua)團隊提(ti)出(chu)了(le)壹(yi)種用(yong)於糖(tang)替(ti)代品食品添加劑安全性評價(jia)的微(wei)流(liu)控(kong)芯片。該工(gong)作開發(fa)了(le)壹(yi)種基(ji)於微(wei)纖維組裝的內(nei)分泌胰腺(xian)芯片，將基(ji)於微(wei)流(liu)控(kong)紡絲技(ji)術制(zhi)備(bei)的模擬血(xue)管與3D胰島培養(yang)芯片相(xiang)結(jie)合，可(ke)以用(yong)於評估葡萄(tao)糖(tang)以及各種糖(tang)替(ti)代品對(dui)胰島細胞(bao)活(huo)力(li)以及胰島素、胰高血(xue)糖(tang)素分泌的(de)影(ying)響(xiang)，進(jin)而對(dui)其進行食品安全性評價(jia)。相(xiang)關(guan)研(yan)究(jiu)以“Hollow Microfiber Assembly-Based Endocrine Pancreas-on-a-Chip for Sugar Substitute Evaluation"為(wei)題(ti)發(fa)表在《Advanced Healthcare Materials》期(qi)刊(kan)上(shang)。

如(ru)圖1所(suo)示(shi)，通(tong)過(guo)微(wei)流(liu)控(kong)紡絲技(ji)術，研(yan)究(jiu)人員(yuan)使用(yong)甲(jia)基(ji)丙(bing)烯酰(xian)化(hua)明膠（GelMA）與海藻酸(suan)鈣（CaA）制(zhi)備(bei)了(le)可(ke)負(fu)載(zai)細胞(bao)的(de)中(zhong)空(kong)復合微纖維，用(yong)於模(mo)擬血(xue)管組織並(bing)用(yong)於物(wu)質運輸。同(tong)時(shi)，研(yan)究(jiu)人員(yuan)使用(yong)Matrigel作為(wei)細胞(bao)外(wai)基(ji)質（ECM）材料，構建(jian)了(le)三(san)維胰島組織，與(yu)復合(he)微(wei)纖維壹同(tong)組(zu)裝(zhuang)到(dao)芯片中即可構(gou)建得(de)到(dao)內分泌胰腺(xian)芯片。

圖1 利(li)用(yong)微(wei)流(liu)控(kong)紡絲技(ji)術構(gou)建(jian)內分泌胰腺(xian)芯片

圖2展(zhan)示(shi)了(le)微(wei)流(liu)控(kong)紡絲技(ji)術制(zhi)備(bei)GelMA/CaA中空微纖維的方(fang)法(fa)與(yu)表征。GelMA是壹(yi)種具有(you)良好(hao)生(sheng)物相(xiang)容(rong)性的血(xue)管化(hua)構建(jian)常(chang)用(yong)材(cai)料(liao)，將其與CaA進行共(gong)混(hun)使用(yong)，可(ke)以得(de)到(dao)具有(you)雙(shuang)交聯網絡的優(you)質血(xue)管支架材(cai)料(liao)。該(gai)團隊使用(yong)摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)nanoArch®S140（精度：10μm）制(zhi)備(bei)了(le)具(ju)有(you)不同(tong)高度(du)流(liu)道(dao)的芯片模板(ban)，並(bing)使(shi)用(yong)PDMS成(cheng)型(xing)得(de)到(dao)微纖(xian)維制(zhi)備(bei)芯片。通過(guo)在芯片的不同(tong)流(liu)道(dao)中通入(ru)不同(tong)的(de)組(zu)分或輔助(zhu)流(liu)體(ti)，材料中(zhong)的(de)海藻酸(suan)鹽（NaA）與(yu)鈣離子(zi)（Ca²⁺）可以發(fa)生(sheng)瞬(shun)時離(li)子(zi)交聯對(dui)微纖(xian)維進行快速(su)定形，再通(tong)過(guo)紫外(wai)曝光(guang)使(shi)GelMA二次交聯，最(zui)終得(de)到(dao)尺寸(cun)均勻(yun)、結(jie)構完(wan)整(zheng)的復合(he)微(wei)纖維。

圖2 GelMA/CaA復合(he)中(zhong)空微(wei)纖維的制(zhi)備(bei)和表征

目前(qian)，血(xue)管模型(xing)構(gou)建中(zhong)的細胞(bao)加載通(tong)常(chang)存(cun)在兩種方(fang)法(fa)，壹(yi)是將細胞(bao)加載到(dao)中心(xin)流(liu)道(dao)中，使內(nei)皮(pi)細胞(bao)粘(zhan)附(fu)在流(liu)道(dao)側壁上(shang)進(jin)行生(sheng)長；另(ling)壹(yi)種則(ze)是將細胞(bao)加載到(dao)外側(ce)管狀凝(ning)膠中(zhong)，使(shi)凝(ning)膠(jiao)作為(wei)上(shang)皮細胞(bao)的(de)支(zhi)架進(jin)行(xing)三(san)維培養(yang)。如圖(tu)3所(suo)示(shi)，研(yan)究(jiu)人員(yuan)同(tong)時(shi)采(cai)用(yong)了(le)兩種方(fang)法(fa)接種小(xiao)鼠胰島內皮(pi)細胞(bao)（MS1），最(zui)終確(que)定(ding)加載到(dao)中心(xin)流(liu)道(dao)中的方(fang)法(fa)能帶來(lai)明顯更佳(jia)的效(xiao)果，細胞(bao)在中空微纖(xian)維中可以形成管腔結(jie)構，且(qie)表現出(chu)壹(yi)定(ding)的血(xue)管化(hua)內皮(pi)特(te)性。

圖3 GelMA/CaA復合中(zhong)空微(wei)纖維的細胞(bao)加載與(yu)培養(yang)

通過上(shang)述方(fang)法(fa)構(gou)建(jian)得(de)到(dao)模擬血(xue)管組織後，研(yan)究(jiu)人員(yuan)將其與三(san)維胰島培養(yang)組織結(jie)合，得(de)到(dao)內分泌胰腺(xian)芯片。如圖(tu)4所(suo)示(shi)，小(xiao)鼠胰島瘤胰島β細胞(bao)（β-TC6）在芯片上Matrigel中(zhong)成(cheng)簇(cu)生(sheng)長，細胞(bao)內(nei)與(yu)編(bian)碼(ma)、產(chan)生(sheng)胰島素等(deng)相(xiang)關(guan)的mRNA均能正常(chang)表達。

圖(tu)4 胰島組織的(de)三(san)維培養(yang)及表征

內(nei)分泌胰腺(xian)芯片在嵌入(ru)微(wei)纖(xian)維模擬血(xue)管以及三(san)維胰島培養(yang)組織後，研(yan)究(jiu)人員(yuan)使用(yong)GelMA水(shui)凝(ning)膠對(dui)其進行覆蓋。模擬血(xue)管在芯片培養(yang)壹定(ding)時(shi)間(jian)後表現出(chu)了(le)良好(hao)的(de)可(ke)灌(guan)註性與滲(shen)透(tou)性，如圖(tu)5所示(shi)。研(yan)究(jiu)人員(yuan)通過(guo)模擬血(xue)管向(xiang)芯片中通(tong)入(ru)不同(tong)濃度(du)的葡萄(tao)糖(tang)溶(rong)液(ye)，可(ke)以實(shi)現(xian)對(dui)胰島培養(yang)組織的(de)持續(xu)動(dong)態刺激(ji)，高葡萄(tao)糖(tang)濃度(du)溶(rong)液(ye)可(ke)以顯(xian)著(zhu)提(ti)高胰島培養(yang)組織中(zhong)胰島素的(de)分泌量(liang)，且(qie)這(zhe)種變化(hua)相(xiang)較於靜(jing)態培養(yang)組更(geng)加明顯，更加接近生(sheng)理狀(zhuang)態，可(ke)以更(geng)準(zhun)確(que)地(di)評估糖(tang)代(dai)謝。

圖5 內分泌胰腺(xian)芯片的構(gou)建(jian)與表征

基(ji)於該(gai)種內分泌胰腺(xian)芯片，研(yan)究(jiu)人員(yuan)對(dui)四種常(chang)見(jian)的(de)糖(tang)替(ti)代品：赤蘚糖(tang)醇(chun)、木(mu)糖(tang)醇(chun)、糖(tang)精(jing)鈉和三(san)氯(lv)蔗(zhe)糖(tang)進(jin)行了(le)安全性評價(jia)，如圖(tu)6所示(shi)。評價(jia)結(jie)果顯示(shi)，四種糖(tang)替(ti)代品均不會刺(ci)激(ji)胰島產(chan)生(sheng)更多(duo)的胰島素，而與胰島素相(xiang)拮抗的胰高血(xue)糖(tang)素則(ze)出(chu)現(xian)分泌量(liang)顯(xian)著(zhu)上升(sheng)，這(zhe)些(xie)結(jie)果足以說明上述糖(tang)替(ti)代品不會導(dao)致血(xue)糖(tang)水(shui)平(ping)的上(shang)升(sheng)。

圖(tu)6 基(ji)於內(nei)分泌胰腺(xian)芯片的糖(tang)替(ti)代品安全性評價(jia)

綜(zong)上所述，該研(yan)究(jiu)開發(fa)了(le)壹(yi)種新(xin)型(xing)的(de)、基(ji)於中(zhong)空微(wei)纖(xian)維模擬血(xue)管的內(nei)分泌胰腺(xian)芯片，可用(yong)於評價(jia)糖(tang)替(ti)代品對(dui)胰島細胞(bao)的(de)活(huo)力(li)以及胰島素、胰高血(xue)糖(tang)素分泌量(liang)的(de)影(ying)響(xiang)，為(wei)各類(lei)食(shi)品添加劑的安全性評價(jia)提(ti)供(gong)新(xin)的平(ping)臺(tai)。該芯片還在胰島疾(ji)病體(ti)外(wai)生(sheng)理模(mo)型(xing)構(gou)建、藥(yao)物(wu)評價(jia)、胰島體外(wai)仿(fang)生(sheng)設(she)計(ji)等方(fang)面具(ju)有(you)著潛在的應(ying)用(yong)價(jia)值(zhi)。