芯片上集成功能性血管化類器官的微流控平臺(tái)

微流控芯片中血管網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對(duì)于球體、類器官、腫瘤或組織外植體等三維細(xì)胞聚集體的長(zhǎng)期培養(yǎng)至關(guān)重要。盡管微血管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和類器官技術(shù)發(fā)展迅速，但在芯片上血管化類器官仍然是組織工程中的一個(gè)挑戰(zhàn)。大多數(shù)現(xiàn)有的微流體裝置很難反映體內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性，需要復(fù)雜的技術(shù)設(shè)置。考慮到這些限制，我們開發(fā)了一個(gè)平臺(tái)，用于建立和監(jiān)測(cè)間充質(zhì)和胰島球體周圍內(nèi)皮網(wǎng)絡(luò)的形成，以及由多能干細(xì)胞在芯片上培養(yǎng)長(zhǎng)達(dá)30天的血管類器官。我們發(fā)現(xiàn)，這些網(wǎng)絡(luò)與富含內(nèi)皮的球體和血管類器官建立了功能連接，因?yàn)樗鼈兂晒Φ貫檫@些結(jié)構(gòu)提供了血管內(nèi)灌注。我們發(fā)現(xiàn)，使用我們的血管化方法在芯片上培養(yǎng)時(shí)，類器官的生長(zhǎng)、成熟和功能都得到了增強(qiáng)。這種微生理系統(tǒng)代表了一種可行的芯片上器官模型，用于血管化各種生物3D組織，并為使用先進(jìn)的微流體建立類器官灌注奠定了基礎(chǔ)。
使類器官血管化的能力仍然是組織工程領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)。事實(shí)上，大多數(shù)厚度超過400μm的組織都需要一個(gè)功能性的血管系統(tǒng)來確保充足的營(yíng)養(yǎng)和氧氣供應(yīng)，以及去除二氧化碳和細(xì)胞廢物的能力，以防止壞死內(nèi)核的形成。盡管已經(jīng)做出了重大努力，在體外創(chuàng)建越來越復(fù)雜的類器官模型系統(tǒng)，但仍然有必要將這些類器官移植到宿主動(dòng)物體內(nèi)，以建立功能性的血管循環(huán)。然而，體內(nèi)移植非常昂貴，缺乏大規(guī)模毒性或藥物篩選的可擴(kuò)展性。

通過在芯片上生成可灌注的血管網(wǎng)絡(luò)，無論是作為獨(dú)立的，還是通過結(jié)合其他組織來開發(fā)功能性、血管化的芯片上組織，人們已經(jīng)做出了相當(dāng)大的努力來解決這個(gè)問題。在這種體外方法中，使用水凝膠將內(nèi)皮細(xì)胞和支持細(xì)胞接種到中央微流體室中。這些水凝膠為嵌入的細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支撐，使其能夠自組織成內(nèi)皮網(wǎng)絡(luò)。培養(yǎng)基持續(xù)流入中央微室附近的橫向通道，提供長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)和氣體交換。然而，這種傳統(tǒng)的幾何形狀不允許復(fù)制體內(nèi)觀察到的通量，復(fù)制iPSC衍生類器官的體內(nèi)功能血管化仍然是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)16。

在這里，我們報(bào)告了一個(gè)平臺(tái)，使用一種原創(chuàng)且用戶友好的微流體裝置和芯片加載過程，在芯片上血管化各種生物組織。使用由人成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的球體以及由人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞和人胰島球體產(chǎn)生的3D人血管類器官（BVO）驗(yàn)證了我們系統(tǒng)的可靠性。重要的是，我們證明了血管類器官的有效吻合和可控灌注，以及增強(qiáng)的類器官生長(zhǎng)、成熟和血管系統(tǒng)發(fā)育。此外，我們報(bào)告了使用我們的平臺(tái)增強(qiáng)胰島球體的功能。

審核編輯 黃宇