AKITA器官芯片应用：肺泡上皮-内皮屏障芯片_曼博生物

用于模拟具有气液界面的人肺泡上皮-内皮屏障的微生理肺芯片模型

 

 

简介

人类肺部对环境变化和遗传疾病非常敏感，尽管近几十年来医学研究发展迅速，但仍然有许多严重的肺部疾病影响着数百万患者，缺乏治愈或有效的治疗方法。例如在英国，每10万公民就至少有12人因肺纤维化而死亡[1]。

 

为了加速疗法的发现，已经开发了微流控器官芯片模型，以取代当前缺乏生物学相关性的标准二维细胞培养模型，并减少动物实验的使用。这里介绍的人类肺芯片（Lung organ Chip，下方均简称为“LoC”）模型是通过在上皮侧或基底侧与动态流体一起共培养肺泡上皮细胞和血管内皮细胞形成的，模拟了人类肺泡的结构和功能。为了获得更准确的模型，从上皮侧移除培养基，以创建气液界面（Air-liquid interface，下方均简称为“ALI”）  。

 

 

这种肺芯片模型有望更好地理解肺部疾病的发病机制，并有助于开发更有效的治疗方法。

 

肺芯片构建过程

使用AKITA Plate-96芯片，并在每个芯片上进行24个单独的实验， 标准的96孔板格式适用于大多数仪器（图 a）。

 

图a：AKITA Plate-96

 

人类肺癌上皮细胞（A549）在静态侧上培养，与动态微通道中的人类脐静脉内皮细胞（HUVEC）一起模拟肺微血管（图 b）。

 

图b：AKITA LoC模式图

 

按照实验计划（图 c），功能性屏障在培养了2天的空气液体界面下，于第7天形成。使用右旋糖酐（Dextran）来评估屏障的渗透性。

 

图c：AKITA LoC构建时间轴

 

结果1.  具有空气-液体界面（ALI）的肺芯片（LoC）

在 70 kDa和4 kDa右旋糖酐示踪剂的环境中，与上皮细胞单一培养与浸没培养相比，有 ALI培养的LoC装置组的差异较大（图1，Mann-Whitney U检验，p＜0.05，N＝12）。对于共培养的LoC，效果不太明显，但所有模型在更长的培养时间内都能更好地维持低渗透性。

 

图1  在浸没和ALI环境下培养的LoC之间的渗透性差异

 

该系统的光学特性允许使用共聚焦和扫描电子显微镜高质量地可视化细胞形态（图2、3和4）。

 

图2   在ALI下培养肺芯片4天后，上皮表面顶部的纤毛结构(扫描电子显微镜)

 

图3   经ALI培养6天后，从LoC上皮侧的紧密连接表达的共聚焦图像

 

图4   经ALI培养6天后，使用共聚焦显微镜对免疫染色的Lo装置进行观察

 

与静态环境相比，动态流培养的LoC表现出更高的粘液表达。此外，在动态流条件下培养的LoC中，细胞定向和肌动蛋白结构更加明显。

 

结果2.  动态流的影响

建立的LoC在第7天形成最紧密的屏障。与静态环境相比，在动态流下培养的LoC的70kDa和4kDa右旋糖酐分子的渗透性较大降低（图5，Mann-Whitney U检验，p＜0.05，N＝18）。

 

图5   位于气液界面条件下，静态环境和动态流之间的渗透性差异

 

结果3.  在肺泡肺芯片中模拟炎症

使用AKITA的肺芯片，甚至可以检测到10 ng/ml浓度的化合物（如TNF-a和LPS脂多糖）对细胞毒性的影响（图 6），可以测试化合物以缓解组织炎症。

 

图6  AKITA的肺芯片模拟炎症反应

 

结论

总之，我们建立了一个更高通量且功能性的肺-芯片模型，采用气液界面来复现肺上皮-内皮屏障。我们展示了微流体流动刺激在体外模型中的重要性，并展示了肺-芯片中紧密的屏障、纤毛形成以及粘液产生。已建立的肺-芯片模型紧密模拟了体内的肺泡结构，可用于临床前药物发现、空气污染物暴露以及其他药理学研究应用。

 

这一模型系统对于研究肺部疾病，如慢性肺阻塞（COPD）、新兴病毒感染、进行性纤维性肺疾病或原发性和转移性肺癌等，将提供更好的系统。

 

关于AKITA

总部设在芬兰，奥卢的器官芯片制造商AKITA，by Finnfadvance，成立于2019年。系统搭载拥有高通量器官芯片板，该板可被设计成单器官和多器官，兼容多种成像模式，高人体相关性的下一代人体体外模型，加速药物开发，降低临床前试验失败的风险，也可用于个性化医疗。

 

上海曼博生物医药科技有限公司是AKITA，by Finnfadvance官方授权的中国经销商。

 

 

AKITA工作流程

下图为主要步骤的简化工作流程图，且每种实验都有特定型号的详细SOP。

 

 

AKITA Plate专为即插即用工作流程而设计，从而确保易用性、强大的数据收集和节省时间。通过集成的微孔膜将顶端和基底培养室分离，该系统允许同时进行剪切流和静态（共）培养。

 

因此，AKITA Plate能够概括多个人体器官的结构和功能复杂性，如屏障模型、气液界面模型、微问题血管化等。

 

AKITA微流体板与标准的96孔和384孔板格式一致，是高通量和易于操作的共培养系统。此外，我们的AKITA Rocker 高通量精密摇床有助于增强我们肺道屏障模型的人体相关性、成熟度、紧密性等。

 

AKITA肺芯片系统

 

 

参考文献

[1] Marshall DC, Salciccioli JD, Shea BS, et al. Trends in mortality from idiopathic pulmonary fibrosis in the European Union: an observational study of the WHO mortality database from 2001-2013. Eur Respir J 2018; 51:1701603.

 

扩展阅读

AKITA器官芯片应用--血脑屏障药物渗透性测试