在四個腔室中的任何一個腔室中，可以產生影響細胞生長的不同條件。圖片來源：維也納科技大學

生物芯片已在TU Wien（維也納）開發，可在其上生產和檢查組織。這允許以非常受控的方式向組織供應不同的物質。

在培養皿中培養人體細胞今天不是一個大挑戰。然而，生產由精細血管滲透的人造組織是一項更加困難的任務。生物學中的重要運輸過程，例如氧氣，糖和其他物質向組織中的運輸，尚未完全了解。現在這種情況將隨著問題的全新解決方式而改變：在維也納技術大學，組織正在生物芯片上生長- 即所謂的“片上器官”。這使您可以精確控制和測量復雜的生物過程 - 比動物試驗或人體試驗更好。

比動物實驗更好

“在新鮮的傷口周圍，新組織必須再生，其中包括新血管，”Dipl-Ing說。TU Wien應用合成化學研究所的Barbara Bachmann。“我們利用身體的自然傷口愈合過程，在實驗室中用微小的生物芯片培養血管。”

長期以來，此類研究項目完全依賴于動物實驗。“動物實驗有許多缺點 - 不僅從道德的角度來看，而且在科學的層面上，”組長Peter Ertl教授說。“結果永遠不會完美地傳遞給人類，因此在臨床試驗中往往出現令人驚訝的副作用，這些副作用從未出現在動物模型中。”

人體血管系統生長在生物芯片上。圖片來源：維也納科技大學

利用生物芯片技術，現在可以非常精確地調節供應人血管細胞的物質。這使得可以在數周內培養和研究人體細胞。“除了在血管內部排列的內皮細胞外，我們還使用干細胞，這對于穩定血管結構起著關鍵作用，”Mario Rothbauer說。“幾乎神奇的是，生物芯片中的微小血管網絡會在幾天內出現。”

一個微小的流入管道，組織從外面供應氧氣和營養物質，穿過這個新形成的細毛細血管網絡旁邊的組織 - 它是生物芯片的“人造動脈”。細小的，自然生長的血管不直接連接到這個人造導管，但是兩個區域之間的邊界沒有密集地密封，因此化學物質可以通過。

“這是醫學中經常遇到的情況，”Peter Ertl教授說：“例如傷口愈合，還有癌癥等疾病。” 一個快速增長的腫瘤必須找到一種方式來獲得足夠的營養物質，因此它通常會導致細微的不自然生長快血液毛細血管。現在可以在芯片中更好地研究腫瘤與身體其他部分之間的這種質量轉移。“我們能夠證明供應實際上取決于流入管道的距離，就像天然組織中的情況一樣，”Dipl.-Ing說。薩拉施皮茨。“另一個重要的發現是，我們已經能夠證明通過改變生物芯片中的流速可以微調組織的營養供應 - 就這么簡單。”

跨學科研究

在這一研究領域，幾個科學學科密切相關：醫學和化學，還有微流體學（微量液體的流動行為科學），甚至材料科學和制造技術必須結合起來才能做出精確的生產可能的芯片。TU Wien與Ludwig Boltzmann實驗和臨床創傷學研究所合作，并得到了歐盟“Interreg”資助計劃的支持。

“只有通過這種跨學科的方法，我們才能發揮主導作用，取得引起國際轟動的研究成果，”Peter Ertl說。“我們的研究結果表明，生物芯片為研究新形成的組織中的氧合作用提供了一個很好的模型。這對我們來說只是一個開始。顯而易見的新研究機會正在開放。”

更多信息： Barbara Bachmann等。通過對相互細胞信號傳導的微流體控制，在纖維蛋白水凝膠構建體內工程化三維前血管網絡，Biomicrofluidics（2018）。DOI：10.1063 / 1.5027054 

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