功率放大器在多級別多尺度復雜血管網絡的仿葉脈人體器官芯片研究中的應用
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“器官芯片”是一種在體外利用微流控芯片裝置來模仿人體內部的動態生理微環境，從而培養出類人體組織器官的新興技術，現已被廣泛應用于包括生命科學機理研究、新藥開發、個性化醫療和毒性預測等多個領域。血管網絡為細胞提供營養、氧氣及生物因子，并參與炎癥反應、腫瘤遷移等各種生物活動，是人體生命活動的基礎，因此，在“器官芯片”中構建出類似人體血管網絡系統是該技術的關鍵因素。目前，大多數關于“器官芯片”的研究只能制作出具有簡單流道結構的血管網絡，與人體體內的多級復雜血管網絡相差甚遠，難以提供仿生的生理微環境（如剪切力刺激等）和多器官的信號溝通傳導。已有研究者試圖通過仿生設計的方法，引入類似血管分叉結構特征，但其整體結構仍然過于簡單。因此，如何制造出類似于人體體內具有復雜多級結構的血管網絡結構，是在芯片上構建功能化器官模型的難題之一。
圖1與腔室特定器官集成的血管系統的仿生設計
針對以上問題，香港理工大學趙昕教授課題組和西安交通大學賀健康教授課題組共同提出了一種新型仿生血管網絡設計和制造方法，可實現多級別、多尺度血管網絡系統的可控制造，用于構建具有多個器官的“葉脈芯片”。葉脈網絡與人體血管網絡具有高度的相似性，都是自然優選出的液體傳輸系統，具有復雜的多級別管道，能夠實現液體在大面積結構/管道中的高效傳輸。基于此，該研究團隊提出利用脫細胞的葉脈網絡作為模板，經過一系列圖像處理方法，實現葉脈網絡結構的數字化重構；該數字模型支持人為編輯，可實現在仿葉脈微流道系統中引入嵌入式腔室，通過光刻微制造技術獲得具有仿生微流道的“葉脈芯片”，用于血管化功能器官的培養。通過液體灌流實驗和流體力學模擬分析的方法，發現液體能夠快速灌流到整個“葉脈芯片”中，并且嵌入式腔室的引入并不會改變“葉脈芯片”中的高效的液體流動特性。此外，通過進一步在多級管道中種植血管內皮細胞，該研究團隊成功制備出可灌流的多級別、多尺度血管網絡系統，可有效地支持嵌入式腔室中功能器官的培養，重建了類似人體內血液循環系統連接器官組織的復雜生理特征。為了展示其生物學效果，研究人員在“葉脈芯片”上制造出了血管化骨組織和肝組織并用于胰腺腫瘤遷移的研究，發現胰腺腫瘤細胞更趨向于遷移到骨組織中，并與骨髓基質干細胞形成立體的環抱結構，首次揭示了兩者在3D微環境中特殊的作用關系。該研究團隊相信，這種“葉脈芯片”具有仿人體的多級別血管網絡，支持多個器官在同一芯片的共同培養，并且可同時進行對比性的生物學實驗，有潛力用于腫瘤遷移等血液循環系統相關的生理活動和藥物開發研究中。
相關結果以題為Human‐on‐Leaf‐Chip:ABiomimeticVascularSystemIntegratedwithChamber‐SpecificOrgans發表在Small雜志上，香港理工大學博士生毛茅和碩士生裴浩彬是該文第一作者，香港理工大學趙昕教授和西安交通大學賀健康教授是該文通訊作者。
圖2具有集成腔室的仿生血管系統的制造
圖3仿生血管系統內的液體運輸
圖4FITC-葡聚糖在預先裝有血纖蛋白水凝膠的腔室內擴散的特征
圖5仿生血管網絡的內皮化形成連接的血管化器官
圖6仿生血管系統中血管化器官的灌注培養，用于研究特定器官胰腺癌的轉移
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