如何利用微流控芯片来“合成”人造组织

在天然组织中，各种不同的细胞以高度规范的方式组装和协作。那么，我们是否也可以在体外复制这样的精细结构和功能呢？从化学的角度考虑，细胞和细胞外基质可以被认为是组织工程中化学合成反应的底物，而微流控芯片则像一座微型的“生物工厂”，可以生产多种不同的组织或器官。

Figure 1.利用微流控芯片“合成”组织示意图

微流控芯片上的各种理化因素可以被认为是催化这些生物合成反应的“催化剂”，通过降低合成反应的活化能有效加速这些合成反应的进行，精确地调控一系列细胞行为，包括细胞粘附、迁移、生长、增殖、分化、细胞-细胞相互作用和细胞-基质相互作用等。因此，在微流控芯片这个生物工厂中，各种各样合成反应将底物材料（细胞和细胞外基质）以非线性的方式变成产物（组织）。

Figure 2.细胞粘附和迁移的几何约束和动态控制。(a).细胞被限制在微区内，电压脉冲将细胞从这些微区中释放出来。(b).泪滴形状的图案在金表面使细胞发生极化。(c).通过不同尺寸的图案实现轴突分支控制。(d).电压诱导的细胞释放。(e).通过选择性控制细胞释放和迁移模拟细胞间多种相互作用。(f).几何形状和基底化学表面控制神经细胞的聚集和定位。(g).通过Y型微流通道内进行不同蛋白的图案化

通过精细地组织这些底物材料和控制产物的活性，微流控芯片不仅可以合成组织，还可以重现生理和病理生理过程，比如免疫响应、血管再生、伤口愈合和肿瘤转移。

Figure 3.光或电诱导的细胞粘附。(a).通过光响应表面实现对细胞的可逆黏附。(b).通过动态改变表面黏附区域选择性控制细胞黏附。(c).通过电位控制RGD多肽构象从而控制细胞的可逆粘附

国家纳米科学中心微流控纳米生物课题组在Acc. Chem. Res.上，发表了题为"Synthesizing Living Tissues with Microfluidics"的综述。在这篇综述中，作者借用化学学科中“合成”的概念，来描述如何利用微流控芯片来“合成”人造组织。目前，科学家已经利用微流控芯片合成了各种各样的组织。

图4.通过微流控技术构建片层组织结构

文章总结了该课题组及国内外相关研究组利用微流控芯片通过“逐步合成法”和“一步合成法”，以前所未有的精度和速度制备了多种目标组织的研究工作。通过优化组织合成条件，利用“逐步合成法”可以制备具备多层结构的组织，比如血管；而利用“一步合成法”可以制备功能性三维组织结构，比如神经网络等。

图5.通过应力诱导自卷曲膜（SIRM）来合成管状组织结构。(a).通过SIRM制作管状结构的示意图。(b).通过细胞层组装和SIRM结合的方法来构建多层管状结构。(c).通过SIRM来制备管状结构和螺旋结构的过程

基于这些研究，许多生理病理过程，比如伤口愈合、肿瘤转移和动脉粥样硬化等过程的机理可以得到深入研究。这种“基于微流控芯片的组织合成”系统为未来的基础研究和生物医药应用提供了技术基础和思路。

图6.利用微流控芯片通过“一步法”合成组织。(a).微流控肾脏血液尿液物质交换单元模型。(b).微流控脑三维网络结构模型

在这篇综述中，作者强调了基于微流控芯片的组织合成的概念，并总结了近年来通过微流控芯片技术来合成组织的相关进展。文章总结了利用微流控芯片以前所未有的精度和速度制备了目标组织。

图7.基于微流控芯片的伤口愈合模型和伤口敷料筛选。(a).细胞共培育和伤口选择性产生的微流控伤口模型。(b).基于微流控芯片的伤口敷料筛选模型。(c).细菌纤维素伤口敷料在微流控芯片上的评估。(d).纳米抗菌敷料的制备过程示意图。(e).抗菌金纳米粒子的合成过程及其在促进伤口愈合中的应用

通过利用和优化这些组织合成条件，“逐步合成法”可以制备多层组织，比如血管；“一步合成法”可以制备功能性的三维组织结构，比如神经网络等。基于这些研究，许多生理过程，比如伤口愈合、肿瘤转移和动脉粥样硬化等可以得到深入研究。这种“基于微流控芯片的组织合成”系统为未来基础研究和医药应用中的人造组织提供了技术基础。

图8.基于微流控芯片的药物筛选。(a).在微流控芯片上研究GNC-siRNA抑制胰腺癌发展。(b).可以同时产生流体剪切力和循环拉伸力的微流控芯片示意图。(c).早期动脉粥样硬化模型的构建及药物筛选。