中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

微流体器官芯片可建立肾小球模型

2017-05-18

人工建造这种“肾小球”模型是一件非常有挑战的事情。来自哈佛大学的科学家们解决了这一挑战。

肾脏是人体非常重要的代谢器官,执行着过滤血液的作用,将一些不需要的废物以尿液的形式排出。肾小球是肾脏中基本的过滤单元,人工建造这种“肾小球”模型是一件非常有挑战的事情。来自哈佛大学的科学家们解决了这一挑战,他们率先在器官单芯片技术中,实现了第一个体外人类肾小球模型的工程化。研究发表在了《Nature Biomedical Engineering》上。

肾小球的独特过滤功能来自于独特的结构细胞。肾小球内有三种固有细胞:系膜细胞、内皮细胞、足细胞。足细胞(podocyte)是位于肾小球毛细血管基底膜外侧的脏层上皮细胞,因其胞浆在基底膜表面形成伪足样突起而得名。足细胞的长足突环绕着毛细血管,足突之间的裂孔膜是肾小球滤过的最后一道屏障,阻断蛋白质、红血球、血小板等大分子,允许小分子如水分、盐类及糖类以及其他类型的代谢废弃物通过,进一步形成尿液。

微流体器官芯片可建立肾小球模型

 

 

足细胞很容易被药物所损伤,因而对于以肾脏疾病为目标的研究来说,意义重大。想要建立一个肾小球的模型,深入探测其功能,或者用于进行药物的肾功能安全性评价,足细胞一个非常好的切入点。由于足细胞较为脆弱,在很长的时间里,科学家们一直试图通过干细胞来使这种足细胞能够工程化,但是,成熟的能够工程化的足细胞群此前一直难以获得。

来自哈佛大学威斯研究所的Donald Ingber博士实现了这一突破,他的团队将人类诱导的多功能干细胞(iPS)分化成成熟的足细胞,有效率可以超过90%。成熟的工程化的足细胞是肾小球芯片的重要前提。最初,研究人员尝试用生物材料来促进细胞系的功能化,但是失败了。之后他们开始转变思路,不再是仅仅添加可溶性因子,而是将细胞外基质(ECM)的关键作用考虑在内,不仅如此,研究人员还考虑到了肾小球中的特殊环境,指导细胞和组织分化的机械力在其中也有重要的作用。

微流体器官芯片可建立肾小球模型

人类干细胞衍生的成熟足细胞的扫描电子显微照片(图片来源:哈佛大学威斯研究所)

研究的第一作者Samira Musah表示,“我们的方法不仅使用了指导胚胎肾发育的可溶性因子,而且通过细胞外基质组分对干细胞进行生长和分化,这些组分在肾小球血液分离的膜上和泌尿系统中也含有,我们更加密切的模仿足细胞被诱导和成熟的自然环境。”

研究人员成功的在微流体控制芯片上诱导了这样的分化过程。这个微流体系统与活体肾小球的横截面很相似,它由光学透明的、柔性的聚合物材料组成。在芯片上两个相对应的微流体通道由一个多孔的、细胞外基质包被的膜所分隔,对应肾脏的肾小球基底膜。在膜所面对的一个通道中,研究人员培养了肾小球内皮细胞以模拟肾小球的微循环。在膜的另一侧通道内,iPS细胞培养代表了肾小球的尿室。在这里,iPS细胞被诱导成为一层成熟的足细胞,其延长的足突穿过膜孔并与对侧的内皮细胞相接触。研究人员没有选择传统的细胞培养方式,而是通过应用周期性循环吸,以每秒一次的频率,模拟真实肾小球由于心脏泵血而产生的律动变形,从而极高的模仿了真实的足细胞诱导环境,实现了非常好的成熟率。

微流体器官芯片可建立肾小球模型

微流体器官芯片装置(图片来源:《Nature Biomedical Engineering》)

对于未来这一模型的应用潜力,研究的第一作者Samira Musah谈道,我希望我们的发现和研究战略在未来的生物医学应用中,可以帮助工程师们开发更先进的人体器官模型。我为这个工作感到骄傲,因为它展现了在尝试对抗在生物学和医学复杂挑战的时候,多学科研究的强大力量。目前,我们正在运用这种方法来研究肾脏疾病的机制,创造替代动物模型用于治疗方案的开发。由于在许多肾脏疾病中肾小球足细胞已损坏或丧失,人类的iPS 来源的足细胞也有望用于相关疾病的细胞治疗和再生医学。

微流体器官芯片可建立肾小球模型

微流体器官芯片装置膜一侧的iPS诱导的成熟足细胞的足突穿过膜与对侧肾小球内皮细胞相接触(图片来源:Nature Biomedical Engineering)

这对于由于疾病和衰老导致肾脏问题的患者来说,是一个全新的希望。