新型胰(yi)島微(wei)生理系(xi)統構建：氣動微(wei)流(liu)體(ti)紡(fang)絲技(ji)術+胰(yi)島細(xi)胞(bao)微(wei)纖(xian)維(wei)

微生理系(xi)統是壹種細(xi)胞(bao)模(mo)型，它(ta)可再(zai)現器(qi)官或(huo)組(zu)織中(zhong)細(xi)胞(bao)所(suo)暴露(lu)的動態(tai)微(wei)環(huan)境(jing)，可用於(yu)復(fu)現生(sheng)理學(xue)的各個方面。它們(men)通(tong)常(chang)整(zheng)合了(le)氣(qi)體或(huo)液(ye)體(ti)流(liu)動等(deng)特(te)征(zheng)，因此常(chang)常被稱(cheng)為(wei)微流控器(qi)官芯片。這(zhe)類(lei)技(ji)術能有(you)效(xiao)彌(mi)補(bu)傳統動物(wu)模(mo)型在疾(ji)病(bing)機(ji)制(zhi)研究(jiu)和藥物(wu)反(fan)應預測(ce)方面的局(ju)限性，並(bing)在特(te)定場景(jing)下實(shi)現動物(wu)實(shi)驗替(ti)代(dai)。以(yi)糖尿(niao)病研(yan)究(jiu)為例，其在藥(yao)物(wu)代(dai)謝(xie)評(ping)估（如(ru)肝(gan)臟(zang)-胰(yi)島軸模擬(ni)）及高效(xiao)篩選中(zhong)已(yi)展(zhan)現出(chu)明(ming)確(que)的臨床轉(zhuan)化潛(qian)力。

上(shang)海(hai)大學材(cai)料基因(yin)組(zu)工程(cheng)研究(jiu)院高興(xing)華(hua)團(tuan)隊(dui)通(tong)過(guo)氣(qi)動控(kong)制(zhi)的微流體紡絲技(ji)術制(zhi)備(bei)了(le)負(fu)載(zai)胰(yi)島細(xi)胞(bao)的微纖(xian)維(wei)，用於(yu)構建微生(sheng)理系(xi)統。該研(yan)究(jiu)成果以(yi)“Engin-eering pancreatic islet-loaded microfibers via pneumatically-controlled microfluidic spinning for the assembly of a microphysiological system"為題(ti)，發表在《Biomaterials》期(qi)刊(kan)上(shang)。

該(gai)研(yan)究(jiu)介紹了(le)壹(yi)種基(ji)於微纖(xian)維(wei)的胰(yi)島微(wei)生理系(xi)統（MPS），通過(guo)氣(qi)動控(kong)制(zhi)的微流體紡絲技(ji)術制(zhi)備(bei)胰(yi)島細(xi)胞(bao)負(fu)載(zai)的微纖(xian)維(wei)，並(bing)將(jiang)其與(yu)血(xue)管(guan)內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)共(gong)培養(yang)在微(wei)流(liu)控芯片中(zhong)。該(gai)系(xi)統能夠(gou)模擬(ni)胰(yi)島的生理微(wei)環境(jing)，為糖尿(niao)病研(yan)究(jiu)和藥物(wu)篩選提(ti)供(gong)了壹個新的平臺(tai)。該(gai)研(yan)究(jiu)通過(guo)摩(mo)方精密(mi)面投(tou)影(ying)微立體光刻（PμSL）技(ji)術（nanoArch® S140，精度(du)：10μm）制(zhi)備(bei)了(le)微(wei)流(liu)控紡絲芯片模(mo)具(ju)和組(zu)裝芯片模(mo)具(ju)，再結合PDMS翻(fan)模(mo)技(ji)術制(zhi)備(bei)了(le)兩(liang)種芯片。

圖1展(zhan)示了(le)胰(yi)島微(wei)生理系(xi)統的設計(ji)原理圖，包(bao)括(kuo)基於(yu)微(wei)流控紡絲技(ji)術結合氣(qi)動控(kong)制(zhi)制(zhi)備(bei)的胰(yi)島微(wei)纖(xian)維(wei)，以(yi)及將微纖(xian)維(wei)與(yu)血(xue)管(guan)內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)組(zu)裝的微流控系(xi)統。圖中(zhong)詳(xiang)細(xi)描繪(hui)了(le)微纖(xian)維(wei)的制(zhi)備(bei)過(guo)程(cheng)，包括(kuo)核心(xin)流(liu)、樣本流和(he)鞘(qiao)流的註入，以(yi)及通過(guo)氣(qi)動控(kong)制(zhi)實(shi)現的液滴形成和(he)微(wei)纖(xian)維(wei)的收(shou)集。此外，還(hai)展(zhan)示了(le)微纖(xian)維(wei)在微(wei)流(liu)控系(xi)統中的組(zu)裝方式(shi)，以(yi)及最(zui)終構建的胰(yi)島微(wei)生理系(xi)統，模擬(ni)了(le)胰(yi)島的生理微(wei)環境(jing)和血(xue)管(guan)化結構。

圖2展(zhan)示了(le)通過(guo)氣(qi)動控(kong)制(zhi)微流(liu)控(kong)紡(fang)絲技(ji)術制(zhi)備(bei)的含水(shui)滴微(wei)纖(xian)維(wei)的表征(zheng)結果。圖中(zhong)通(tong)過(guo)明(ming)場(chang)和(he)熒(ying)光顯(xian)微鏡(jing)圖像展(zhan)示了(le)微纖(xian)維(wei)的連續性(xing)和水(shui)滴的均勻分布(bu)情況，同(tong)時利(li)用傅裏葉變換紅(hong)外光譜(pu)（FTIR）分析了微(wei)纖(xian)維(wei)的化學組(zu)成，確(que)認(ren)了(le)微纖(xian)維(wei)中(zhong)鈣(gai)藻(zao)酸鹽(yan)和(he)葡(pu)聚(ju)糖的存在。此外，通(tong)過(guo)共(gong)聚(ju)焦(jiao)顯(xian)微(wei)鏡(jing)的三維(wei)成像技(ji)術進壹(yi)步驗證了(le)水(shui)滴在微(wei)纖(xian)維(wei)中(zhong)的空間分布(bu)，表明(ming)水(shui)滴與(yu)纖(xian)維(wei)之間(jian)無相互擴散(san)，為細(xi)胞(bao)的三維(wei)培(pei)養(yang)提(ti)供(gong)了獨立的微環境。

圖3展(zhan)示了(le)微流(liu)控紡絲條件優(you)化的結果，研(yan)究(jiu)了氣動閥(fa)頻(pin)率(lv)、核(he)心(xin)流(liu)速、樣(yang)本流速和(he)鞘(qiao)流速對(dui)微纖(xian)維(wei)中(zhong)水(shui)滴尺寸(cun)、間(jian)距(ju)和(he)纖(xian)維(wei)寬(kuan)度(du)的影(ying)響(xiang)。結(jie)果顯(xian)示(shi)，核心(xin)流(liu)速和(he)氣動閥(fa)頻(pin)率(lv)主(zhu)要影(ying)響(xiang)水(shui)滴的尺寸(cun)，樣(yang)本流速影(ying)響(xiang)水(shui)滴間(jian)距(ju)，而鞘(qiao)流速則(ze)主(zhu)要影(ying)響(xiang)纖(xian)維(wei)的寬(kuan)度(du)。通(tong)過(guo)優(you)化這些(xie)參數，實(shi)現了(le)水(shui)滴的均勻分布(bu)和(he)高通(tong)量(liang)制(zhi)備(bei)，為(wei)細(xi)胞(bao)的三維(wei)培(pei)養(yang)提(ti)供(gong)了理想(xiang)的微環境。

圖4展(zhan)示了(le)胰(yi)島細(xi)胞(bao)負(fu)載(zai)微(wei)纖(xian)維(wei)的制(zhi)備(bei)與(yu)表征(zheng)結果。圖中(zhong)通(tong)過(guo)明(ming)場(chang)和(he)熒(ying)光顯(xian)微鏡(jing)圖像展(zhan)示了(le)胰(yi)島細(xi)胞(bao)在微(wei)纖(xian)維(wei)中(zhong)的分布(bu)情況，細(xi)胞(bao)被標(biao)記為(wei)綠(lv)色(se)熒(ying)光，表明(ming)細(xi)胞(bao)在微(wei)纖(xian)維(wei)的水(shui)滴中(zhong)均勻分布(bu)。細(xi)胞(bao)活性(xing)檢測(ce)結(jie)果顯(xian)示(shi)細(xi)胞(bao)在微(wei)纖(xian)維(wei)中(zhong)具(ju)有(you)高活性(xing)和(he)良好(hao)的增殖(zhi)能(neng)力(li)。此外，通(tong)過(guo)共(gong)聚(ju)焦(jiao)顯(xian)微(wei)鏡(jing)對(dui)細(xi)胞(bao)骨(gu)架(jia)和(he)胰(yi)島素(su)分泌(mi)的染色(se)結(jie)果表明(ming)，細(xi)胞(bao)在微(wei)纖(xian)維(wei)中(zhong)形(xing)成了(le)類(lei)似(si)胰(yi)島的三維(wei)結(jie)構，並(bing)具(ju)有(you)正(zheng)常的內(nei)分泌(mi)功能(neng)。基因表達分析進壹(yi)步證實(shi)了(le)微纖(xian)維(wei)中(zhong)細(xi)胞(bao)的胰(yi)島功(gong)能增(zeng)強。

圖5展(zhan)示了(le)微纖(xian)維(wei)組(zu)裝芯片的設計(ji)和流(liu)體動力(li)學(xue)模(mo)擬(ni)結(jie)果。圖中(zhong)詳(xiang)細(xi)描繪(hui)了(le)組(zu)裝芯片的結構，包括用於(yu)微(wei)纖(xian)維(wei)和(he)血(xue)管(guan)內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)共(gong)培養(yang)的大腔(qiang)室(shi)以(yi)及對(dui)稱(cheng)的微通道網絡(luo)。通(tong)過(guo)COMSOL軟(ruan)件(jian)進(jin)行(xing)的流體動力(li)學(xue)模(mo)擬(ni)顯(xian)示(shi)，通過(guo)調(tiao)節(jie)入口流速，可(ke)以(yi)模擬(ni)毛(mao)細(xi)血(xue)管(guan)中的流體剪(jian)切應(ying)力(li)，為細(xi)胞(bao)提(ti)供(gong)生理相關的流體環境。模擬(ni)結(jie)果表明(ming)，微(wei)纖(xian)維(wei)和(he)細(xi)胞(bao)所(suo)在的中央腔(qiang)室(shi)的流體剪(jian)切應(ying)力(li)較低(di)，而(er)通(tong)道(dao)進出(chu)口附(fu)近的剪(jian)切應(ying)力(li)較高，這(zhe)種梯(ti)度有(you)利(li)於內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)的生長(chang)和(he)血(xue)管(guan)化。

圖6通(tong)過(guo)熒(ying)光顯(xian)微鏡(jing)圖像展(zhan)示了(le)血(xue)管(guan)內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)在微(wei)纖(xian)維(wei)表面的生長(chang)和(he)血(xue)管(guan)化情況。結(jie)果顯(xian)示(shi)，內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)在微(wei)纖(xian)維(wei)表面形(xing)成了(le)豐富的血(xue)管(guan)樣結(jie)構，並(bing)表達了(le)特(te)異(yi)性的內(nei)皮(pi)標(biao)記物(wu)CD31。通(tong)過(guo)共(gong)聚(ju)焦(jiao)顯(xian)微(wei)鏡(jing)的Z軸掃描(miao)和(he)三維(wei)建(jian)模(mo)，進(jin)壹步證實(shi)了(le)內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)在微(wei)纖(xian)維(wei)上(shang)的單(dan)層(ceng)排(pai)列(lie)和(he)血(xue)管(guan)樣結(jie)構的形成。此外，基(ji)因(yin)表達分析表明(ming)，與(yu)二維(wei)培(pei)養(yang)相比，微(wei)纖(xian)維(wei)上(shang)的內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)表現出(chu)更(geng)高的血(xue)管(guan)生成相關基因(yin)表達水(shui)平，如CD31、VCAM-1和KLF2，表明(ming)微(wei)纖(xian)維(wei)促進(jin)了內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)的血(xue)管(guan)化。

圖7展(zhan)示了(le)胰(yi)島微(wei)生理系(xi)統的構建和抗(kang)糖尿(niao)病藥(yao)物GLP-1(7-37)的評(ping)估結(jie)果。圖中(zhong)通(tong)過(guo)熒(ying)光顯(xian)微鏡(jing)圖像展(zhan)示了(le)胰(yi)島細(xi)胞(bao)和(he)血(xue)管(guan)內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)在微(wei)纖(xian)維(wei)上(shang)的共(gong)培養(yang)情況，以(yi)及胰(yi)島細(xi)胞(bao)的胰(yi)島素(su)分泌(mi)功能(neng)。在動態(tai)培(pei)養(yang)條件下(xia)，胰(yi)島細(xi)胞(bao)保(bao)持(chi)了(le)正(zheng)常的內(nei)分泌(mi)功能(neng)。通過(guo)MTT實(shi)驗、ELISA檢測(ce)和(he)NO釋(shi)放檢測(ce)，評(ping)估了(le)GLP-1(7-37)對(dui)胰(yi)島細(xi)胞(bao)和(he)內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)的增殖(zhi)、胰(yi)島素(su)分泌(mi)和NO釋(shi)放的影(ying)響(xiang)。結(jie)果顯(xian)示(shi)，GLP-1(7-37)顯著(zhu)促進(jin)了胰(yi)島細(xi)胞(bao)的增殖(zhi)和(he)胰(yi)島素(su)分泌(mi)，同時(shi)也增強(qiang)了(le)內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)的增殖(zhi)和(he)NO釋(shi)放能(neng)力(li)，表明(ming)該(gai)微(wei)生理系(xi)統可用於(yu)抗(kang)糖尿(niao)病藥(yao)物的體外評(ping)估。

圖7. 胰(yi)島微(wei)生理系(xi)統的構建和抗(kang)糖尿(niao)病藥(yao)物GLP-1(7-37)的評(ping)估結(jie)果。

總結：本文(wen)通過(guo)氣(qi)動控(kong)制(zhi)的微流體紡絲技(ji)術成功(gong)制(zhi)備(bei)了(le)胰(yi)島細(xi)胞(bao)負(fu)載(zai)的微纖(xian)維(wei)，並(bing)構建了壹(yi)種模(mo)擬(ni)胰(yi)島生(sheng)理微(wei)環境(jing)的微生理系(xi)統。該系(xi)統不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)支(zhi)持(chi)胰(yi)島細(xi)胞(bao)和(he)血(xue)管(guan)內(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)的共(gong)培養(yang)，還(hai)能夠(gou)用於(yu)藥(yao)物篩選和(he)疾(ji)病(bing)機(ji)制(zhi)研究(jiu)。未來，該(gai)技(ji)術有(you)望(wang)進(jin)壹步優化，以(yi)實(shi)現更(geng)復雜(za)的組(zu)織模(mo)擬(ni)和(he)更(geng)高效(xiao)的藥物評(ping)估，為(wei)糖尿(niao)病的個性(xing)化治(zhi)療提供(gong)新的工具和方法。