微流控裝置已經被用于在體外模擬了由多種腎細胞構成的腎單位。此細胞培養方式更加深入和接近體內環境，能夠對細胞和器官功能發現新的見解。芯片腎能夠加快人們對腎器官的研究，包括人工替代功能喪失的腎。如今，進行透析的患者需要每星期去醫院至多三次。可移植和易于接受的治療方式不僅可以增加患者的整體健康（通過增加治療頻率），而且整個過程將變得更有效和更容易。可移植的人造腎臟研究是一門急需要創新的學科，需要通過微流控技術，微型化和納米加工技術，為人造器官帶來耐用性和可植入的能力。

Example 腎單元芯片 – nephron-on-a-chip

圖1 PDMS仿生腎小管示意圖

單位是腎的基本構成和功能單位，由腎小球和腎小管組成。麻省理工學院的研究人員設計了一種人造生物裝置，其主要體外構建了腎的基本單位腎小球，能夠實現近端回旋小管和loop of Henle(腎元的一部分，從近曲小管到遠曲小管)的生理功能。

所構建的裝置每個部分都有其獨特的設計，通常由兩個由膜隔開的微加壓層組成。微流控裝置的唯一入口是被設計用于血液樣品的進入。在腎小球的腎單元部分，薄膜允特定血液顆粒穿過由內皮，基底膜和上皮足細胞組成的毛細血管壁。從毛細血管過濾到Bowman空間的液體稱為濾液或初級尿液。

圖2 具有三個功能單元橫截面的微流控芯片裝置的示意圖。黑色箭頭：被動運輸；白色箭頭：細胞介導的主動運輸

在小管中，一些物質作為尿液形成的一部分，將進入到濾液中，還有一些營養物質從濾液中會被再吸收返回到血液中。這些小管的第一段是近端回旋小管，這里能夠吸收幾乎全部營養重要物質。在該裝置中，該部分僅僅是直通道替代，但是進入濾液的血液顆粒必須穿過前面所述的膜和一層腎近端小管細胞；小管的第二段是Henle循環，其中形成原尿和發生離子的再吸收過程。該設備的循環通道能夠模擬Henle循環的逆流機制；同樣，Henle循環的過程也需要許多不同類型的細胞，因為不同種類細胞類具有不同的轉運特性及特征。這些細胞類型包括：下肢肢體細胞、上肢細胞細胞、上肢增厚細胞、皮質收集管細胞和髓樣收集管細胞。

驗證模擬微流控裝置對生理性腎單位的完全過濾和再吸收行為的一個過程包括證明血液和濾液之間的傳輸性質與其發生傳輸的位置同膜的進入情況相一致。 例如，大多數被動輸送的水發生在近端小管和下降的薄肢體中，而NaCl的主動運輸主要發生在近端小管和厚上肢體中。該裝置的設計需要將腎小球中的過濾分數控制在15％-20％之間變化，而近端回旋小管中的過濾重吸收在65％-70％之間變化，最后在尿液中收集尿素在200-400mM之間變化。

最近的一項研究論述了一種在水凝膠微流控裝置重現了具有生物活性的腎單位，建立了被動擴散的功能以及在血管與小管（均為中空通道）之間相互作用基礎上實現的復雜腎單位生理功能[8]。然而，傳統的實驗室技術通常是基于2D培養皿上，這樣會導致缺乏對生物體內3D結構中發生的真實生理能力被忽視。基于此，作者開發了一種微流控裝置新方法，主要在3D水凝膠中包含了制造功能，細胞襯里和可灌注微通道等。

血管內皮和腎上皮細胞在水凝膠微通道內培養并形成細胞層覆蓋在模擬的血管和小管管壁上。研究者使用激光共焦顯微鏡檢查水凝膠中一個小有機分子（通常是藥物）在血管和小管之間的被動擴散。該研究證明了在體外模擬再生醫學和藥物篩選的腎臟生理學的有效性潛力。

（作者：陳有靈犀 科學網科學網轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）