[發明專利]一種基于器官芯片技術的納米顆粒肺損傷評價方法

有效

• 申請號: 201611071453.9
• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN108117989B
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 秦建華;張敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C12N5/071
• 分類號: C12N5/071
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 鄭虹

本發明提供一種基于器官芯片技術的納米顆粒肺損傷評價方法，該芯片主要由上下兩層PDMS粘合封接而成，由基質入口池，兩個細胞入口池，廢液池，細胞培養室，基質室組成；該芯片上分別側立接種血管內皮細胞和肺泡上皮細胞，培養一定時間后形成肺氣血屏障。在肺泡上皮細胞培養室中加入納米顆粒，在血管內皮細胞培養室中灌流加入單核細胞，模擬體內循環血液中的單核細胞，建立體外納米顆粒肺損傷評價模型。基于該芯片的納米顆粒肺損傷評價模型不僅可以模擬納米顆粒對肺氣血屏障的損傷，對屏障完整性破壞進行實時監測，還能夠實現同時觀察氣血屏障兩種細胞的響應，并對單核細胞的運動實現實時追蹤。

技術領域

本發明涉及將器官芯片技術應用到納米顆粒肺損傷體外評價的技術領域，具體涉及一種基于器官芯片技術的納米顆粒肺損傷評價方法。

背景技術

隨著經濟發展和城市化進程的加快，以大氣顆粒物和臭氧為特征的區域性大氣污染已成為現階段影響我國居民健康最重要的環境因素。大氣顆粒物是大氣中存在的各種固態和液態粒狀物質的總稱，其對人體健康的危害與其粒徑有關，粒徑越小危害越大。肺臟是呼吸系統的主要器官，作為直接與大氣環境接觸的部位，肺氣血屏障是肺臟抵御細顆粒物污染的第一道防線。大氣細顆粒物沉積于肺泡內有可能通過多條信號傳導途徑造成肺內失控性炎癥反應，導致肺泡上皮、肺血管內皮損傷和修復障礙，肺氣血屏障功能破壞，引起炎癥、纖維化、細胞增殖紊亂甚至癌變。而肺泡上皮細胞與毛細血管內血流中的單核細胞等免疫細胞一同構成了肺的局部防御體系，保護肺臟免受外來物質的侵害。目前，往往以納米顆粒模擬大氣細顆粒物的毒性效應，研究其對于肺組織的損傷作用。

現階段，納米顆粒肺損傷與毒理學評價方法主要有兩種，動物氣管滴注法和細胞孔板法。盡管氣管滴注法可在一定程度上反映體內的生理情況，但動物實驗結果往往不能真實反映大氣細顆粒物對人體的實際毒性作用，更難以獲得關鍵毒性成分對肺氣血屏障損傷的動態生物學信息，且實驗操作繁瑣，費時費力。細胞平板法是以靜態二維細胞培養為基礎，但這種方式與體內細胞所處的三維微環境完全不同，也難以反映體內肺氣血屏障所包含的氣液界面、多細胞空間排列、血液流動等復雜的三維組織結構與生物力學微環境。

器官芯片技術作為一門迅速發展起來的科學技術，已經在生物醫學領域展現了其獨特的優勢，更因其同細胞尺寸匹配、環境同生理環境相近、在時間和空間維度上能夠提供更為精確的操控，易于通過靈活設計實現多種細胞功能研究等特點而成為新一代細胞研究的重要平臺。因其高通量，低消耗，以及對流體的精準操控，更易于構建接近于體內真實環境的肺氣血屏障細胞組成和結構層次。而將其應用于納米顆粒肺損傷毒性評價，以反映納米顆粒肺損傷復雜的多細胞共同參與效應以及免疫系統在其中的作用，尚屬于肺損傷研究的空白領域。

發明內容

本發明的目的提供一種基于器官芯片的納米顆粒肺損傷評價方法，基于該器官芯片的納米顆粒毒性損傷評價模型不僅可以建立肺氣血屏障，對屏障的完整性和通透性進行定時監測，還可實現對納米顆粒作用下不同組成細胞生物行為及形態變化、屏障完整性和通透性變化進行追蹤觀察。

本發明提供的器官芯片，該器官芯片由上下兩層PDMS粘合封接而成，包括血管內皮細胞入口池，細胞外基質入口池，肺泡上皮細胞入口池，廢液池，血管內皮細胞培養室，肺泡上皮細胞培養室，基質室；

基質室兩端為細胞外基質入口池，中間部分為“豐”字形，中間的橫向結構為對稱排列著7～10個柵欄結構，基質室通過兩邊的柵欄結構與血管內皮細胞培養室和肺泡上皮細胞培養室連接；

血管內皮細胞培養室上連血管內皮細胞入口池，下連廢液池；肺泡上皮細胞培養室上連肺泡上皮細胞入口池，下連廢液池；

本發明提供的微流控芯片，所述微流控芯片是由高度不同的兩部分組成，血管內皮細胞培養室和肺泡上皮細胞培養室高度為200-1000μm，基質入口池和基質室高度為100-300μm。

本發明還提供了一種基于器官芯片的納米顆粒肺損傷評價方法，具體過程如下：

(1)芯片基質灌注