1. 介紹肺器官芯片微流控系統(tǒng)的發(fā)展歷史

人的肺在呼吸系統(tǒng)中起著氣體交換的重要作用。它們的海綿狀結(jié)構(gòu)以肺泡亞單位的形式最大限度地增加了有用的表面積，在肺泡亞單位中，吸入的空氣和穿過一層薄薄的細(xì)胞膜的血管系統(tǒng)之間存在著氣液界面(ALI)。這種ALI是理解肺行為和病理的一個(gè)非常有趣的特征，因?yàn)檎窃谶@里，異物和病原體經(jīng)常首先接觸到身體。

雖然許多動(dòng)物模型已被用于研究肺部疾病(Cardoso，2001；Matute-Bello等人，2008；Morrisey和Hogan，2010)，但它們與人類系統(tǒng)缺乏足夠的相似性，在基于動(dòng)物的平臺(tái)上留下了可能的空白。80%通過臨床前動(dòng)物試驗(yàn)的藥物實(shí)際上并不能有效地治療人類預(yù)期的目標(biāo)疾病，這一事實(shí)證明了這一點(diǎn)(Perrin，2014)。一個(gè)被稱為“埃羅姆定律”的趨勢描述了自1950年以來，美國食品和藥物管理局每百萬美元用于藥物研發(fā)的批準(zhǔn)藥物數(shù)量如何每9年減少一半(Scanell等人，2012年)。這鮮明地提醒人們，生物學(xué)研究面臨著越來越大的挑戰(zhàn)，迫切需要改進(jìn)方法。因此，使用人類細(xì)胞的體外平臺(tái)已成為動(dòng)物模型的必要補(bǔ)充，如果不是替代的話，它除了帶來更高的生物相似性之外，還帶來了許多好處，例如高通量篩選的潛力、成本效益以及解決圍繞動(dòng)物試驗(yàn)的倫理問題。

然而，盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，從體內(nèi)(動(dòng)物)系統(tǒng)到體外系統(tǒng)的過渡也有明顯的缺點(diǎn)，其中最顯著的是細(xì)胞環(huán)境中復(fù)雜性的喪失。定義細(xì)胞發(fā)育和器官水平功能的生物力學(xué)線索是高度多方面的，很難在相對(duì)簡單的二維格式細(xì)胞培養(yǎng)上完全概括(Huh等人，2011年)。此外，僅從兩個(gè)維度研究細(xì)胞的事實(shí)就限制了與活體人類細(xì)胞的相似性。這些因素推動(dòng)了3D細(xì)胞培養(yǎng)的發(fā)展，允許通過各種材料同時(shí)培養(yǎng)多種類型的細(xì)胞，以模擬體內(nèi)的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)(Kim和Rajagopalan，2010)。隨著微流控技術(shù)和設(shè)備的最新進(jìn)展，3D細(xì)胞培養(yǎng)方法可以用一系列通用的技術(shù)來擴(kuò)充，甚至可以進(jìn)一步概括體外器官水平的功能。這些措施包括連續(xù)灌流培養(yǎng)液和對(duì)培養(yǎng)細(xì)胞施加可控的流體和固體機(jī)械應(yīng)力，以重建體內(nèi)的生物化學(xué)和生物力學(xué)微環(huán)境。從這種融合中誕生的設(shè)備被稱為芯片上的器官，并呈現(xiàn)出巨大的潛力，將徹底改變?nèi)祟惒±韺W(xué)的研究方式。要全面了解芯片上器官的總體情況，請(qǐng)單擊此處。微流體帶來的微流體能力對(duì)于肺的重現(xiàn)特別有趣，肺表現(xiàn)出高度機(jī)械的環(huán)境，尤其是因?yàn)楹粑鼘?dǎo)致組織拉伸時(shí)施加在細(xì)胞上的力。在這篇簡短的綜述中，我們從微流控設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的角度討論了單芯片肺平臺(tái)的起源和發(fā)展。

2. 開創(chuàng)性的“芯片肺”

2010年，Huh展示了一種開創(chuàng)性的微流控設(shè)備，該設(shè)備此后定義了芯片肺平臺(tái)的發(fā)展方向(Huh等人，2010年)。在這里，我們將討論包含的創(chuàng)新設(shè)計(jì)特征，并簡要描述它是如何用于研究肺部行為的。該器件(圖1)由三層PDMS層組成：兩層具有平行的微圖案化通道，在其間然后是一層薄的多孔膜層。這種膜形成了兩室膜分離系統(tǒng)。細(xì)胞外基質(zhì)被插入到腔室中，以覆蓋膜的兩側(cè)，以便隨后的細(xì)胞附著。在膜的一側(cè)種植肺泡上皮細(xì)胞，另一側(cè)種植血管內(nèi)皮細(xì)胞。接下來，通過讓空氣通過上皮側(cè)腔室，基本上模仿了在人類肺泡中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞組成，建立了ALI。雖然以前已經(jīng)展示了重建這種肺泡屏障的系統(tǒng)，例如使用Transwell裝置(Yamaya等人，2002年)，但過去的裝置不能重建存在于該膜上的機(jī)械環(huán)境。HH的設(shè)備通過創(chuàng)新地使用與內(nèi)皮和上皮通道平行的兩個(gè)橫向通道實(shí)現(xiàn)了這種機(jī)械刺激。通過對(duì)這些側(cè)通道施加真空，柔性的PDMS可以變形，以實(shí)現(xiàn)以生理上相似的幅度和頻率對(duì)細(xì)胞內(nèi)襯的人工牙槽膜進(jìn)行受控的循環(huán)拉伸。這種膜的拉伸是在細(xì)胞培養(yǎng)過程中進(jìn)行的，并誘導(dǎo)上皮細(xì)胞層的仿生排列。

圖1：機(jī)械主動(dòng)片上肺裝置。三層PDMS裝置由兩個(gè)中央腔室組成，由一層薄薄的多孔膜隔開，一邊種植肺泡上皮細(xì)胞，另一邊種植血管內(nèi)皮細(xì)胞。氣液界面是通過在上肺泡通道中流動(dòng)空氣來建立的。如圖所示，可以對(duì)側(cè)室施加真空，以使彈性PDMS壁變形，從而使膜變形。這起到單向拉伸細(xì)胞的作用，并模擬人體肺泡擴(kuò)張和收縮過程中所經(jīng)歷的拉伸。

從免疫學(xué)的角度研究了機(jī)械刺激對(duì)肺泡細(xì)胞行為的影響，以確定機(jī)械應(yīng)變是否改變了肺泡細(xì)胞的行為。一種炎性細(xì)胞因子(腫瘤壞死因子-α，或腫瘤壞死因子-α)被引入血管通道(即膜內(nèi)皮側(cè)的通道)。通過測量細(xì)胞間黏附分子-1(ICAM-1)的內(nèi)皮表達(dá)，該小組可以監(jiān)測在有和沒有機(jī)械驅(qū)動(dòng)膜的情況下免疫炎癥反應(yīng)的差異。在這一點(diǎn)上，免疫反應(yīng)沒有可測量的差異。然而，在研究炎癥納米粒對(duì)LOC的反應(yīng)時(shí)，膜拉伸成為一個(gè)重要因素。為了模擬納米顆粒的吸入，將空氣傳播納米毒性研究中常用的納米硅顆粒(Napierska等人，2009年)引入設(shè)備的肺泡通道(即膜上皮側(cè)的通道)。在這種情況下，根據(jù)膜是否經(jīng)歷周期性、模擬呼吸、拉伸，免疫反應(yīng)有明顯的差異。在這種機(jī)械驅(qū)動(dòng)下，觀察到免疫反應(yīng)增加，這也是用ICAM-1水平來確定的，以及與沒有拉伸的設(shè)備中測量的相比，納米顆粒的跨膜遷移增加。這些趨勢與在小鼠身上發(fā)現(xiàn)的納米顆粒反應(yīng)以及長期以來關(guān)于納米顆粒與肺相互作用的毒性效應(yīng)的研究是一致的。

3. 進(jìn)一步開發(fā)肺器官芯片

這項(xiàng)關(guān)鍵性工作由Huh等人完成，自那以后確定了機(jī)械主動(dòng)LOC平臺(tái)的方向。在這里，我們簡要討論一些其他的工作，這些工作是基于相同的技術(shù)重建細(xì)胞襯里的膜，如上所述，以及它們?nèi)绾伪挥糜诟鞣N生物學(xué)研究。
第一種，在2007年由Huh等人提出。實(shí)際上是上述裝置的前身，但值得討論的是它使用微流控工程來實(shí)現(xiàn)不同的結(jié)果。該裝置(圖2)(Huh等人，2007年)展示了相同類型的細(xì)胞線膜分離室，其中一個(gè)是“肺泡”充氣室，另一個(gè)是“血管”細(xì)胞介質(zhì)充填室。雖然在這個(gè)模型中沒有周期性的膜拉伸，但研究小組研究了液體塞流的影響，液體塞流是一種生理現(xiàn)象，在COPD、哮喘、肺水腫和毛細(xì)支氣管炎等疾病中，隨著病理性粘液塞的傳播而發(fā)生(Cassidy等人，1999年)。使用這些微流體產(chǎn)生的液體塞子，研究小組能夠重建潛在的上皮細(xì)胞損傷，并更好地了解和聲學(xué)檢測方法。

圖2：液體插頭肺器官芯片模型。利用一種特殊的微流體通道幾何結(jié)構(gòu)，液體塞可以產(chǎn)生并在多孔膜上的一層上皮細(xì)胞上繁殖。

雖然肺泡是更多研究和理解的重要部位，但它們只代表整個(gè)呼吸系統(tǒng)的一個(gè)部分。相反，Benam等人的設(shè)備在微流控芯片上重建了小氣道，這是肺中最小的傳導(dǎo)路徑(Benam等人，2015)。該裝置(圖3)還具有種植細(xì)胞的薄多孔膜，但關(guān)鍵的區(qū)別在于所選擇的細(xì)胞類型-細(xì)支氣管上皮細(xì)胞而不是肺泡上皮細(xì)胞。他們能夠研究小氣道對(duì)細(xì)菌和病毒的免疫反應(yīng)，并很好地展示了這種膜分離型LOC設(shè)備的多功能性。

圖3：小氣道單芯片肺模型，利用種植在“空氣通道”中微孔膜上的細(xì)支氣管上皮細(xì)胞，相對(duì)“血液通道”中的一層內(nèi)皮細(xì)胞。