器官芯片實(shí)例介紹（四）Kidney-on-a-chip 芯片腎
微流控裝置已經(jīng)被用于在體外模擬了由多種腎細(xì)胞構(gòu)成的腎單位。此細(xì)胞培養(yǎng)方式更加深入和接近體內(nèi)環(huán)境，能夠?qū)?xì)胞和器官功能發(fā)現(xiàn)新的見解。芯片腎能夠加快人們對(duì)腎器官的研究，包括人工替代功能喪失的腎。如今，進(jìn)行透析的患者需要每星期去醫(yī)院至多三次。可移植和易于接受的治療方式不僅可以增加患者的整體健康（通過增加治療頻率），而且整個(gè)過程將變得更有效和更容易。可移植的人造腎臟研究是一門急需要?jiǎng)?chuàng)新的學(xué)科，需要通過微流控技術(shù)，微型化和納米加工技術(shù)，為人造器官帶來耐用性和可植入的能力。
Example 腎單元芯片 – nephron-on-a-chip
圖1 PDMS仿生腎小管示意圖
單位是腎的基本構(gòu)成和功能單位，由腎小球和腎小管組成。麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種人造生物裝置，其主要體外構(gòu)建了腎的基本單位腎小球，能夠?qū)崿F(xiàn)近端回旋小管和loop of Henle(腎元的一部分，從近曲小管到遠(yuǎn)曲小管)的生理功能。
所構(gòu)建的裝置每個(gè)部分都有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，通常由兩個(gè)由膜隔開的微加壓層組成。微流控裝置的唯一入口是被設(shè)計(jì)用于血液樣品的進(jìn)入。在腎小球的腎單元部分，薄膜允特定血液顆粒穿過由內(nèi)皮，基底膜和上皮足細(xì)胞組成的毛細(xì)血管壁。從毛細(xì)血管過濾到Bowman空間的液體稱為濾液或初級(jí)尿液。
圖2 具有三個(gè)功能單元橫截面的微流控芯片裝置的示意圖。黑色箭頭：被動(dòng)運(yùn)輸；白色箭頭：細(xì)胞介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸
在小管中，一些物質(zhì)作為尿液形成的一部分，將進(jìn)入到濾液中，還有一些營養(yǎng)物質(zhì)從濾液中會(huì)被再吸收返回到血液中。這些小管的第一段是近端回旋小管，這里能夠吸收幾乎全部營養(yǎng)重要物質(zhì)。在該裝置中，該部分僅僅是直通道替代，但是進(jìn)入濾液的血液顆粒必須穿過前面所述的膜和一層腎近端小管細(xì)胞；小管的第二段是Henle循環(huán)，其中形成原尿和發(fā)生離子的再吸收過程。該設(shè)備的循環(huán)通道能夠模擬Henle循環(huán)的逆流機(jī)制；同樣，Henle循環(huán)的過程也需要許多不同類型的細(xì)胞，因?yàn)椴煌N類細(xì)胞類具有不同的轉(zhuǎn)運(yùn)特性及特征。這些細(xì)胞類型包括：下肢肢體細(xì)胞、上肢細(xì)胞細(xì)胞、上肢增厚細(xì)胞、皮質(zhì)收集管細(xì)胞和髓樣收集管細(xì)胞。
驗(yàn)證模擬微流控裝置對(duì)生理性腎單位的完全過濾和再吸收行為的一個(gè)過程包括證明血液和濾液之間的傳輸性質(zhì)與其發(fā)生傳輸?shù)奈恢猛さ倪M(jìn)入情況相一致。 例如，大多數(shù)被動(dòng)輸送的水發(fā)生在近端小管和下降的薄肢體中，而NaCl的主動(dòng)運(yùn)輸主要發(fā)生在近端小管和厚上肢體中。該裝置的設(shè)計(jì)需要將腎小球中的過濾分?jǐn)?shù)控制在15％-20％之間變化，而近端回旋小管中的過濾重吸收在65％-70％之間變化，最后在尿液中收集尿素在200-400mM之間變化。
最近的一項(xiàng)研究論述了一種在水凝膠微流控裝置重現(xiàn)了具有生物活性的腎單位，建立了被動(dòng)擴(kuò)散的功能以及在血管與小管（均為中空通道）之間相互作用基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜腎單位生理功能[8]。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)通常是基于2D培養(yǎng)皿上，這樣會(huì)導(dǎo)致缺乏對(duì)生物體內(nèi)3D結(jié)構(gòu)中發(fā)生的真實(shí)生理能力被忽視。基于此，作者開發(fā)了一種微流控裝置新方法，主要在3D水凝膠中包含了制造功能，細(xì)胞襯里和可灌注微通道等。
血管內(nèi)皮和腎上皮細(xì)胞在水凝膠微通道內(nèi)培養(yǎng)并形成細(xì)胞層覆蓋在模擬的血管和小管管壁上。研究者使用激光共焦顯微鏡檢查水凝膠中一個(gè)小有機(jī)分子（通常是藥物）在血管和小管之間的被動(dòng)擴(kuò)散。該研究證明了在體外模擬再生醫(yī)學(xué)和藥物篩選的腎臟生理學(xué)的有效性潛力。
（作者：陳有靈犀 轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）