帶血管的芯片
在四個腔室中的任何一個腔室中，可以產(chǎn)生影響細(xì)胞生長的不同條件。圖片來源：維也納科技大學(xué)
生物芯片已在TU Wien（維也納）開發(fā)，可在其上生產(chǎn)和檢查組織。這允許以非常受控的方式向組織供應(yīng)不同的物質(zhì)。
在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)人體細(xì)胞今天不是一個大挑戰(zhàn)。然而，生產(chǎn)由精細(xì)血管滲透的人造組織是一項更加困難的任務(wù)。生物學(xué)中的重要運輸過程，例如氧氣，糖和其他物質(zhì)向組織中的運輸，尚未完全了解。現(xiàn)在這種情況將隨著問題的全新解決方式而改變：在維也納技術(shù)大學(xué)，組織正在生物芯片上生長- 即所謂的“片上器官”。這使您可以精確控制和測量復(fù)雜的生物過程 - 比動物試驗或人體試驗更好。
比動物實驗更好
“在新鮮的傷口周圍，新組織必須再生，其中包括新血管，”Dipl-Ing說。TU Wien應(yīng)用合成化學(xué)研究所的Barbara Bachmann。“我們利用身體的自然傷口愈合過程，在實驗室中用微小的生物芯片培養(yǎng)血管?！?/span>
長期以來，此類研究項目完全依賴于動物實驗。“動物實驗有許多缺點 - 不僅從道德的角度來看，而且在科學(xué)的層面上，”組長Peter Ertl教授說?！敖Y(jié)果永遠(yuǎn)不會完美地傳遞給人類，因此在臨床試驗中往往出現(xiàn)令人驚訝的副作用，這些副作用從未出現(xiàn)在動物模型中。”
人體血管系統(tǒng)生長在生物芯片上。圖片來源：維也納科技大學(xué)
利用生物芯片技術(shù)，現(xiàn)在可以非常精確地調(diào)節(jié)供應(yīng)人血管細(xì)胞的物質(zhì)。這使得可以在數(shù)周內(nèi)培養(yǎng)和研究人體細(xì)胞。“除了在血管內(nèi)部排列的內(nèi)皮細(xì)胞外，我們還使用干細(xì)胞，這對于穩(wěn)定血管結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用，”Mario Rothbauer說。“幾乎神奇的是，生物芯片中的微小血管網(wǎng)絡(luò)會在幾天內(nèi)出現(xiàn)?！?/span>
一個微小的流入管道，組織從外面供應(yīng)氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，穿過這個新形成的細(xì)毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)旁邊的組織 - 它是生物芯片的“人造動脈”。細(xì)小的，自然生長的血管不直接連接到這個人造導(dǎo)管，但是兩個區(qū)域之間的邊界沒有密集地密封，因此化學(xué)物質(zhì)可以通過。
“這是醫(yī)學(xué)中經(jīng)常遇到的情況，”Peter Ertl教授說：“例如傷口愈合，還有癌癥等疾病?！?nbsp;一個快速增長的腫瘤必須找到一種方式來獲得足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，因此它通常會導(dǎo)致細(xì)微的不自然生長快血液毛細(xì)血管。現(xiàn)在可以在芯片中更好地研究腫瘤與身體其他部分之間的這種質(zhì)量轉(zhuǎn)移。“我們能夠證明供應(yīng)實際上取決于流入管道的距離，就像天然組織中的情況一樣，”Dipl.-Ing說。薩拉施皮茨?！傲硪粋€重要的發(fā)現(xiàn)是，我們已經(jīng)能夠證明通過改變生物芯片中的流速可以微調(diào)組織的營養(yǎng)供應(yīng) - 就這么簡單?！?/span>
跨學(xué)科研究
在這一研究領(lǐng)域，幾個科學(xué)學(xué)科密切相關(guān)：醫(yī)學(xué)和化學(xué)，還有微流體學(xué)（微量液體的流動行為科學(xué)），甚至材料科學(xué)和制造技術(shù)必須結(jié)合起來才能做出精確的生產(chǎn)可能的芯片。TU Wien與Ludwig Boltzmann實驗和臨床創(chuàng)傷學(xué)研究所合作，并得到了歐盟“Interreg”資助計劃的支持。
“只有通過這種跨學(xué)科的方法，我們才能發(fā)揮主導(dǎo)作用，取得引起國際轟動的研究成果，”Peter Ertl說?！拔覀兊难芯拷Y(jié)果表明，生物芯片為研究新形成的組織中的氧合作用提供了一個很好的模型。這對我們來說只是一個開始。顯而易見的新研究機會正在開放。”
更多信息： Barbara Bachmann等。通過對相互細(xì)胞信號傳導(dǎo)的微流體控制，在纖維蛋白水凝膠構(gòu)建體內(nèi)工程化三維前血管網(wǎng)絡(luò)，Biomicrofluidics（2018）。DOI：10.1063 / 1.5027054
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