应用案例（类器官培养仪-HUMIMIC）：在多器官芯片平台上模拟人体血管系统
在多器官芯片平台上模拟人体血管系统
Emulating the Human Vasculature in a Multi-Organ-Chip Platform
Tobias Hasenberg1,2, Katharina Schimek1, Severin Mühleder3, Andrea Dotzler1, Sophie Bauer1, Alexandra Lorenz1, Wolfgang Holnthoner3, Heinz Redl3, Roland Lauster1, Uwe Marx1,2
1TU Berlin, Institute for Biotechnology, Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin, Germany
2TissUse GmbH, Markgrafenstraße 18, 15528 Spreenhagen, Germany
3Ludwig Boltzmann Institute for Experimental and Clinical Traumatology, Donaueschingenstraße 13, 1200 Vienna, Austria
背景介绍
我们类器官培养系统--- HUMIMIC的多器官芯片平台（MOC）有助于正在进行的体外物质测试系统的发展，最终目标是取代动物模型。双器官平台（2OC）包括独立的电路，每个电路包含两个独立的培养腔，可用于任何3D组织构建的组合。这些空腔通过微流体通道相互连接。集成的芯片上的微泵提供微升规模的脉动血流循环。每个流路仅有600 μL的微量体积，可通过丰富的介质在培养腔之间实现自分泌和旁分泌的交互调节。
人造血管在这个测试平台中非常重要。这不仅是因为它们在供应组织方面的作用，而且作为内皮屏障与介质成分相互作用，并调节其向下层组织的扩散。尝试在培养腔内重建连续的单层内皮细胞。
研究介绍
图1：微粒子图像测速技术 （μPIV）。（A）双器官型号2OC的底部图。系统的蠕动灌注系统是由微流泵对三个连续排列的膜进行周期性的降低和提升来实现的。芯片内的容积流量可以通过外部施加到膜上的驱动频率、压力和真空来控制。不同于传统的μPIV ，我们将红细胞（RBCs）引入微流泵芯片而不是聚合微珠中。使用高速CMOS相机（Baumer HXC40）与标准光学显微镜连接，在可接触的位点（a）和（b）获取连续成像。使用PIVlab对图像进行分析，甚至当可见排列在通道壁上的内皮细胞（ECs）等细胞，箭头表示流动的方向。（B）使用血红细胞进行辐射μPIV分析，正速度表示运动，如图（a）中的箭头所示。数据被评估以优化引入的内皮细胞（ECs）s上的剪切力，然后建立一种类似生理的脉动血流循环。
图2：微流体通道的内皮化。（A）将HDMECs（人真皮微血管内皮细胞）接种到双器官平台（2OC）的通道中。Calcein AM实验可实时监控在4天的脉动血流过程之中，在循环的所有区域的细胞活力和分布。（B） VE-Cadherin， （C） CD31（红色）和vWF（绿色）的表达表明正常的内皮细胞生理行为。（D）微通道内HDMECs（人真皮微血管内皮细胞）的横截面，CD31（红色）和vWF（绿色）染色。HDMECs（人真皮微血管内皮细胞）能够覆盖所有通道的墙壁，形成一个紧密的层。（E）EC的肌动蛋白丝在静态和（F）动态培养条件下。只有后者显示出应力纤维束沿流向排列。（B）至（F）图像中核用Hoechst复染（蓝色）。
图3：ECs排列（定位角度）和形态（形状指数）。4天后，在点（a）和（b）静态和动态条件下，比较HDMECs（人真皮微血管内皮细胞）的排列和形态。ECs随流动方向迁移、增殖和定向。
图4：创建三维类器官共培养的血管床。（A）HUVECs（人脐静脉血管内皮细胞）与脂肪来源的基质细胞（ASCs）在纤维蛋白支架内共培养。用GFP转染HUVECs。尽管有动态环境和细胞活性，纤维蛋白凝胶在14天内保持形状和稳定。（B）放大视图。微血管在3 - 7天内形成。脉动血流循环并不影响血管的形成。
图5：血管床的三维组织。用双光子显微镜获得的z堆叠的渲染图。分支的z位置是用颜色编码的——颜色较深的分支更靠近玻璃底部。在纤维蛋白凝胶的内部可见分支的微血管，因此可见整个突出的支架。凝胶大约有3.5毫米厚。
研究总结
微流体通道的内皮化是为任何生物衍生物重建生理环境的第一步。复杂的双器官平台（2OC）设计使HDMECs在接近生理条件下培养40天，并为ECs提供了合适的剪切应力环境。典型EC标记CD31、vWF和VE-cadherin的产生证实了培养物具有正常的细胞行为。
μPIV测量用来表征和优化芯片的流动动力学。与聚合珠相比，红细胞显著地阻止颗粒偶尔粘附于通道壁、细胞或细胞残留物。
HUVECs与纤维蛋白支架的结合首次创造了尚未充血性的微血管。三维重建了血管的基本结构和特征，为未来的器官整合奠定了基础。此外，我们设想从大的人造血管（图2）到最小的自发形成的微毛细血管（图5）建立一个连续的内皮屏障。这对于类器官（共）培养中的生理相互作用、调节和稳态稳定至关重要。此外，它是在芯片使用血液的先决条件。
