[發(fā)明專利]一種基于器官芯片的三維類肝組織模型構(gòu)建方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811040997.8
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN110885779A
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦建華;王亞清;王慧
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): C12N5/071
• 分類號(hào): C12N5/071
• 代理公司: 沈陽晨創(chuàng)科技專利代理有限責(zé)任公司 21001
• 代理人: 鄭虹

本發(fā)明一種基于器官芯片的三維類肝組織模型構(gòu)建方法，主要步驟為：器官芯片的制備與修飾；擬胚體EBs的原位形成；類肝在器官芯片中的分化和成熟。本發(fā)明構(gòu)建的一種新型的工程化的三維類肝發(fā)育模型，是一種基于器官芯片技術(shù)的可灌流的微反應(yīng)器。本發(fā)明是將體內(nèi)肝發(fā)育的基本原理和工程化技術(shù)結(jié)合，更好地模擬了肝形成的微環(huán)境。本發(fā)明具有成本低、操作簡單、可原位追蹤和實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，可替代動(dòng)物模型和傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)方式，在一定程度上模擬肝的形成與發(fā)育，為體外模擬肝形成、藥物代謝、藥物篩選和毒性檢測等方面提供了一個(gè)強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微流控芯片技術(shù)和組織工程的領(lǐng)域，具體涉及一種基于器官芯片的三維類肝組織模型構(gòu)建方法。

背景技術(shù)

肝臟是一個(gè)復(fù)雜的器官具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和有大量的基本功能包括血清清蛋白的生物合成、能量代謝、轉(zhuǎn)換的藥物、解毒和膽汁的生產(chǎn)。肝臟體外模型對疾病的研究和有效的藥物測試是至關(guān)重要的。然而，由于物種間差異，動(dòng)物模型尚不能真實(shí)地評估藥物在人體內(nèi)引起的肝毒性效應(yīng)。人來源的肝體外模型可以獲得更準(zhǔn)確的候選藥物信息，從而有效地彌補(bǔ)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的缺陷。目前主要的人源肝細(xì)胞是人原代肝細(xì)胞，具有典型的肝特異性功能，但細(xì)胞來源有限。人多能干細(xì)胞hiPSCs已被認(rèn)為是一個(gè)潛在的有價(jià)值的細(xì)胞來源，可以無限供應(yīng)并用來構(gòu)建人肝臟體外模型，體現(xiàn)肝細(xì)胞特定的基本功能。一般來說hiPSCs向肝細(xì)胞分化的方法是使用一系列的化學(xué)物質(zhì)或誘導(dǎo)因子，分化過程包括特定的內(nèi)胚層誘導(dǎo)，肝前體細(xì)胞分化和肝細(xì)胞成熟。

近幾年來多種干細(xì)胞來源(包括成體干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞以及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞hiPSCs)的類器官技術(shù)得到了有效發(fā)展。研究表明hiPSCs能定向分化成特異的細(xì)胞類型，并具有強(qiáng)大的自組裝能力，能形成多種類器官，目前已有的 hiPSCs來源的類器官包括肝，腸，視網(wǎng)膜和大腦等。其中類肝器官的形成是由干細(xì)胞特異性分化并自組裝成具有三維結(jié)構(gòu)的多細(xì)胞聚集體，在體外進(jìn)一步發(fā)育成具有一定結(jié)構(gòu)和功能特異性的組織，一定程度上模擬了相應(yīng)肝的發(fā)育過程和基本功能。人干細(xì)胞來源的類肝模型可以在模擬肝發(fā)育過程、藥物測試和細(xì)胞替代療法以及疾病模型的建立和機(jī)制研究等方面提供一個(gè)潛在的平臺(tái)，有效

彌補(bǔ)傳統(tǒng)二維細(xì)胞培養(yǎng)模型以及動(dòng)物模型的不足，具有廣泛的應(yīng)用前景。盡管這類技術(shù)有潛在的優(yōu)勢和應(yīng)用，仍然面臨很多局限和不足。首先，由于3D 細(xì)胞團(tuán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得內(nèi)部細(xì)胞由于缺少氧氣和營養(yǎng)，出現(xiàn)中心細(xì)胞壞死現(xiàn)象，極大限制了類肝發(fā)育的程度，包括體積大小、功能成熟度等，而在生理情況下肝組織中分布著血管網(wǎng)絡(luò)用于提供充分的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，是傳統(tǒng)方法很難實(shí)現(xiàn)的；其次，實(shí)現(xiàn)肝組織血管化和細(xì)胞-細(xì)胞/基質(zhì)間相互作用是現(xiàn)有方法難以達(dá)到的；另外，傳統(tǒng)方法中如使用旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器培養(yǎng)類器官需要消耗大量的培養(yǎng)基和培養(yǎng)空間，成本較高并且可操作性不強(qiáng)，不利于施加不同的條件刺激。最后，傳統(tǒng)方法主要是利用細(xì)胞自組裝和化學(xué)因子誘導(dǎo)形成類肝，沒有時(shí)空上的因素控制及物理因素的參與。而體內(nèi)肝臟發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，組織形態(tài)發(fā)生和器官形成均需考慮細(xì)胞微環(huán)境因素，如機(jī)械流體流動(dòng)、生化因子、多細(xì)胞之間相互作用等等。因此，可控的細(xì)胞微環(huán)境也是實(shí)現(xiàn)體外3D肝模型建立需要考慮的問題。結(jié)合現(xiàn)有的工程化手段尤其是微流控技術(shù)，有望優(yōu)化類肝技術(shù)。

器官芯片作為細(xì)胞培養(yǎng)載體，不僅可以實(shí)現(xiàn)通道結(jié)構(gòu)尺寸的靈活設(shè)計(jì)，而且能在三維環(huán)境中模擬細(xì)胞微環(huán)境的關(guān)鍵因素，包括流體流動(dòng)、信息交互、生化信號(hào)等等。流體控制有助于促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的交換，減少細(xì)胞凋亡或細(xì)胞團(tuán)中心壞死現(xiàn)象，為細(xì)胞培養(yǎng)提供良好的生存環(huán)境。結(jié)合微流控技術(shù)不僅能解決現(xiàn)有設(shè)備存在體系復(fù)雜和營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸欠缺的問題，還可進(jìn)行細(xì)胞的實(shí)時(shí)監(jiān)測和觀察。但是目前將微流控技術(shù)與類肝技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)化體外類肝的形成及操作尚屬空白。

發(fā)明內(nèi)容