具有天然血管的芯片
我们如何研究新药的效果？ 我们如何更好地理解不同器官之间的相互作用以掌握系统反应？ 在生物医学研究中，所谓的器官芯片，也称为微生理系统，正变得越来越重要：通过在精确控制的微流体芯片中培养组织结构，可以比涉及活体人类或动物的实验更准确地进行研究。 然而，那里一直是一个主要障碍：没有血管，这样的微型器官是不完整的。 为了促进系统研究并确保与生物体进行有意义的比较，必须以精确可控和可重复的方式创建一个可灌注的血管和毛细血管网络。 这正是维也纳工业大学现在所取得的成就：该团队建立了一种使用超短激光脉冲以快速且可重复的方式创建微小血管的方法。 实验表明这些血管的行为与活组织中的血管一样。 肝小叶已经在芯片上制造并取得了巨大成功。 人工微通道中的 真实细胞 “如果你想研究某些药物如何在不同的人体组织中运输、代谢和吸收，你需要最好的血管网络，”Alice Salvadori 说，她是 3D 打印和生物制造研究小组的成员，由教授建立。 Aleksandr Ovsianikov 在 TU Wien。 理想情况下，这种血管具有直接在称为水凝胶的特殊材料中产生。 水凝胶为活细胞提供结构支持，同时具有类似于天然组织的渗透性。 通过在这些水凝胶内创建微小的通道，可以引导血管状结构的形成：内皮细胞——排列在人体真实血管内部的细胞——可以沉淀在这些通道网络内。 这将创建一个与结构和天然血管的功能。 到目前为止，主要挑战是几何学：这些微血管网络的形状和大小一直难以控制。 在基于自组织的方法中，容器几何形状因样品而异。 这使得无法运行可重复、精确控制的实验——但这正是可靠的生物医学研究所需要的。 改进的水凝胶和激光精度 维也纳工业大学的团队因此依赖于先进的激光技术：借助飞秒范围内的超短激光脉冲，高精度的 3D 结构可以直接写入水凝胶中 - 快速高效。 “我们可以创建相距仅 100 微米的通道。 当你想在特定器官中复制血管的自然密度时，这一点是必不可少的，“Aleksandr Ovsianikov 说。 但这不仅仅是关于精度：人造血管必须一旦它们被活细胞填充，它们就会迅速形成并保持结构稳定。 “我们知道细胞会主动重塑它们的环境。 这可能导致变形，甚至导致血管塌陷，“Alice Salvadori 解释说。 “这就是为什么我们还改进了材料制备过程。” 该团队没有使用标准的单步凝胶化方法，而是使用了两步热固化工艺：水凝胶分两个阶段加热，使用不同的温度，而不是只有一个。 这会改变其网络结构，从而产生更稳定的材料。 在这种材料中形成的血管保持开放并随着时间的推移保持其形状。 “我们不仅证明我们可以生产出实际上可以灌注的人工血管。 更重要的是：我们开发了一种可扩展的技术，可以在工业规模上使用“，Aleksanr Ovsianikov 说。 “只需 10 分钟即可对 30 个通道进行码型化，这至少快了 60 倍比其他技术。 模拟炎症：芯片上的自然反应 如果要在芯片上真实地模拟生物过程，人造组织必须表现得像自然组织一样。 现在，这也得到了证明： “我们证明，这些人造血管被内皮细胞定植，这些内皮细胞的反应就像体内的真实细胞一样，”Alice Salvadori 说。 “例如，它们对炎症的反应相同——变得更多可渗透，就像真正的血管一样。 这标志着在医学研究的许多领域将芯片实验室技术确立为行业标准的重要一步。 肝组织 取得巨大成功“使用这种方法，我们能够对肝脏模型进行血管化。 我们与庆应义塾大学（日本）合作开发了一种肝小叶芯片，它结合了受控的 3D 血管网络，密切模拟中央静脉的体内排列和正弦曲线，“Aleksandr Ovsianikov 说。 “长期以来，复制肝脏致密而复杂的微血管系统一直是器官芯片研究中的一项挑战。 通过构建跨越整个组织体积的多层微血管，我们能够确保足够的营养和氧气供应——这反过来又导致了肝脏模型中代谢活动的改善。 我们相信，这些进步使我们离将器官芯片技术整合到临床前药物中更近了一步发现，“Masafumi Watanabe（庆应义塾大学）说。 “OoC 技术和先进的激光技术很好地协同工作，以创建更可靠的血管和肝组织模型。 一项重要的突破是能够在芯片上构建微小的组织，让液体流过它们，类似于血液在体内的流动方式。 这有助于研究人员更好地了解血流如何影响细胞。 OoC 技术还可以密切观察细胞在显微镜。 这些模型将帮助科学家研究身体是如何运作的，并可能在未来带来更好的治疗和医疗保健，“教授说。 庆应义塾大学的 Ryo Sudo。