如何利用微流控技術(shù)實現(xiàn)模仿人類視覺的視網(wǎng)膜芯片呢？

視網(wǎng)膜疾病是世界范圍內(nèi)引起視力損害和失明的主要原因之一。視網(wǎng)膜是位于我們眼睛后部的感光區(qū)域，對我們的視覺形成起著至關(guān)重要的作用。視網(wǎng)膜捕捉光并將其轉(zhuǎn)換為電信號，再由我們的大腦將其解釋為圖像。人類視網(wǎng)膜有很多具有復(fù)雜特征的層，每一層都有特定的功能。例如，視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞對夜視和彩色視覺至關(guān)重要，而上皮細(xì)胞提供視覺所必需的營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子（能夠刺激細(xì)胞生長的分子）。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，印度孟買化學(xué)技術(shù)研究所（ICT）與印度理工學(xué)院孟買分校（IIT Bombay）的研究人員合作開發(fā)了“視網(wǎng)膜芯片（retina-on-a-chip）”，這是一種旨在模擬人類視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能的模型。這項研究以“Compartmentalized microfluidic device for in vitro co-culture of retinal cells”為題發(fā)表在《生物技術(shù)雜志》（Biotechnology Journal）期刊上，由印度政府生物技術(shù)部和科技部以及美國John Editha Kapoor獎學(xué)金基金資助。

視網(wǎng)膜芯片工作原理示意圖

該論文所提出的視網(wǎng)膜芯片為研究視網(wǎng)膜疾病提供了強(qiáng)有力的工具，其模型復(fù)制了視網(wǎng)膜的細(xì)胞成分，特別是感光細(xì)胞和上皮細(xì)胞。上述兩種細(xì)胞由研究人員使用微流控技術(shù)在受控條件下培養(yǎng)而成。

微流控器件是一種微型器件，設(shè)計用于在寬度為人類頭發(fā)絲直徑百分之一的通道中容納和操縱少量流體（以微升為單位）。目前研究中設(shè)計的微流控器件被劃分為多個腔室，以實現(xiàn)在器件內(nèi)分離和操縱不同的物質(zhì)。多腔室微流控器件提供了一個可控的環(huán)境來研究各種生物和化學(xué)現(xiàn)象。這種新開發(fā)的器件可以共培養(yǎng)不同的視網(wǎng)膜細(xì)胞，并模擬人類視網(wǎng)膜的活動、機(jī)制和生理反應(yīng)。

在以往的研究中，視網(wǎng)膜疾病療法的測試研究主要利用動物進(jìn)行實驗。使用動物作為模型除了倫理限制外，由于動物視網(wǎng)膜比人類視網(wǎng)膜小，結(jié)果通常是不準(zhǔn)確的。而新開發(fā)的視網(wǎng)膜芯片模型為研究視網(wǎng)膜疾病提供了現(xiàn)有模型的有效替代方案，并使科學(xué)家能夠更有效地測試視網(wǎng)膜對各種藥物的反應(yīng)。

研究人員使用兩層相互鍵合的聚二甲基硅氧烷（PDMS）層和一層玻璃襯底制造了微流控芯片，并評估了該器件在共培養(yǎng)不同類型視網(wǎng)膜細(xì)胞方面的功效，并對其流體參數(shù)如壓降和流速進(jìn)行了計算驗證。

微流控視網(wǎng)膜芯片示意圖

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種叫做前體細(xì)胞的視網(wǎng)膜細(xì)胞，這種細(xì)胞可以發(fā)育成各種類型的細(xì)胞。該器件內(nèi)的多腔室構(gòu)造允許上皮細(xì)胞釋放的生長因子到達(dá)前體細(xì)胞，使其發(fā)育并成熟為感光細(xì)胞。

這種新型微流控芯片具有改善針對視網(wǎng)膜疾病進(jìn)行藥物開發(fā)的潛力，這些疾病可能是由于衰老和其他生活方式疾病引起的。該器件可用于了解病變和正常視網(wǎng)膜模型中基于共培養(yǎng)的細(xì)胞間相互作用，還可以拓展用于模擬不同的視網(wǎng)膜疾病。此外，該器件在評估新的視網(wǎng)膜藥物的臨床前試驗中具有潛在的應(yīng)用價值。

相關(guān)研究已證明，在人造器官（這些人造器官顯示了真正器官所具有的功能）的輔助下，微流控技術(shù)在藥物開發(fā)方面具有良好的前景。研究人員設(shè)想，微流控技術(shù)有望獲得廣泛關(guān)注，以在不受動物模型使用限制的前提下，加速人類視網(wǎng)膜療法的發(fā)展。

“我們花了7年時間開發(fā)這個模型。我們早在2015年就開始研究這個概念，當(dāng)時關(guān)于微流控技術(shù)還處于非常初級的階段。說服資助機(jī)構(gòu)和許多其他機(jī)構(gòu)專門培養(yǎng)視網(wǎng)膜細(xì)胞是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)?！痹撜撐淖髡咴诿腺IICT納米醫(yī)學(xué)研究小組的官方推特上寫道。

審核編輯：劉清