【摘要】：肝臟是人體最重要的器官之一,具有復雜的微結(jié)構(gòu)和獨特的微環(huán)境,執(zhí)行著多種重要的功能。肝臟一旦發(fā)生病變將會嚴重損害人體健康,因此,深入了解肝臟生理、病理機制以預防、診斷、治療肝病十分必要。目前,針對肝臟生理、病理機制的研究主要是基于動物模型。動物模型雖然在模擬生理環(huán)境方面具有優(yōu)勢,但是其耗時長、不可控、無法量化、難以執(zhí)行多參數(shù)實驗,也不能可視化揭示病變導致的細胞行為變化�；谖⒘骺丶夹g的肝芯片是近年來迅速發(fā)展的、有望替代動物模型的新穎工具,其通過在芯片上構(gòu)建肝組織功能單元并提供生理相似的理化微環(huán)境,從而達到模擬肝臟的目的。當前,肝芯片研究己取得積極的進展,但仍有很多技術難點沒有攻克,比如:如何實現(xiàn)多種細胞的三維有序長期共培養(yǎng),如何重構(gòu)高度仿生的肝超微結(jié)構(gòu),如何精準提供生理相似的理化條件等。據(jù)此,本文設計了三種肝芯片以期望解決上述難點,主要內(nèi)容如下:第一種是模仿肝竇血流的肝芯片。在該芯片中,利用細胞培養(yǎng)區(qū)兩側(cè)相對流動的培養(yǎng)基的壓力差以產(chǎn)生跨細胞培養(yǎng)區(qū)的對流,從而模擬肝竇血流。該設計大大增強了細胞培養(yǎng)區(qū)營養(yǎng)物的輸運,實現(xiàn)了高密度大尺寸肝細胞培養(yǎng)。本文實驗觀察了不同灌注流速下的細胞存活分布和理論模擬了細胞培養(yǎng)區(qū)的氧氣濃度分布,證實了模擬的肝竇血流可促進物質(zhì)的輸運,從而促進細胞的培養(yǎng)。主要實驗結(jié)果顯示,肝細胞代謝活力和解毒能力表現(xiàn)良好,培養(yǎng)7天時肝細胞密度在3mm厚的尺寸上能夠達到7 × 107cells/mL。第二種是組織界面重構(gòu)的肝芯片。在該芯片中,通過將雙層微球(肝細胞位于雙層微球內(nèi)層,肝星形細胞位于外層)和內(nèi)皮細胞置于水凝膠中以構(gòu)建肝組織界面,并設計了三脈管系統(tǒng)(肝動脈、肝靜脈和中央腔靜脈)以提供生理相似的理化微環(huán)境。主要實驗結(jié)果顯示,肝芯片細胞培養(yǎng)區(qū)形成了血管化的肝組織結(jié)構(gòu),肝細胞代謝物(尿素)和合成物(白蛋白)的濃度隨著培養(yǎng)時間的增加而增加。這表明生理相似的組織界面和理化環(huán)境有利于保持肝臟功能。第三種是基于細胞片的肝小葉芯片。在該芯片中,通過將培養(yǎng)皿中3D培養(yǎng)的肝臟細胞-星形細胞片和內(nèi)皮細胞置于水凝膠中以構(gòu)建肝組織界面,并增加了氧傳感芯片以控制肝芯片動脈、靜脈入口培養(yǎng)基溶解氧濃度。該芯片可同時模擬肝動脈、靜脈之間的氧氣濃度和營養(yǎng)物濃度差異,其封裝的多細胞層獨特結(jié)構(gòu)更加接近肝臟內(nèi)部細胞的排布方式。主要實驗結(jié)果顯示,在該芯片上可觀察到肝細胞板結(jié)構(gòu)、血管網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及類膽小管結(jié)構(gòu);在藥物對乙酰氨基酚的作用下,共培養(yǎng)的肝細胞的損傷明顯低于單獨培養(yǎng)的肝細胞的損傷。本文不但為肝芯片進一步仿生化設計提供了新思路,也為藥物測試、藥物篩選、肝病建模等提供了有力的工具,因而具有十分重要的理論和應用價值。
【圖文】：

邐第１章緒邋論邐逡逑星形細胞、枯否細胞、肝竇內(nèi)皮細胞等）。Ｋｉｄａｍｂｉ等人使用合成離子聚合物的逡逑逐層沉積法形成圖案化的細胞共培養(yǎng)模型，，首先在聚電解質(zhì)多層（ＰＥＭ）表面上逡逑形成磺化聚苯乙烯（ＳＰＳ）圖案，然后種上鼠肝細胞和ＮＩＨ３Ｔ３成纖維細胞，由逡逑于肝細胞更容易附著在ＳＰＳ表面，因此便形成了圖案化共培養(yǎng)模式，結(jié)果顯示逡逑這種共培養(yǎng)模式下肝細胞維持肝功能的時間比單獨培養(yǎng)模式下更長［２９］。Ｈｏ等人逡逑利用介電泳操控人肝癌細胞（Ｈｕｍａｎ邋Ｌｉｖｅｒ邋Ｃａｒｃｉｎｏｍａ邋Ｃｅｌｌ邋Ｌｉｎｅ；邋ＨｅｐＧ２）和人肪逡逑靜脈內(nèi)皮細胞（Ｈｕｍａｎ邋Ｕｍｂｉｌｉｃａｌ邋Ｖｅｉｎ邋Ｅｎｄｏｔｈｅｌｉａｌ邋Ｃｅｌｌ；邋ＨＵＶＥＣ）的有序排列，實逡逑現(xiàn)了大量細胞的分區(qū)培養(yǎng)［１９］。此外，文獻中還有多種基于２Ｄ微圖案技術實現(xiàn)的逡逑細胞定向共培養(yǎng)模式［３（）＿３５］，盡管上述方法可以實現(xiàn)細胞的定向共培養(yǎng)，但仍是逡逑２Ｄ培養(yǎng)，不能夠更好地模擬３Ｄ體內(nèi)微環(huán)境。逡逑

邐ｐａＵｒｒｏｉａｇ邋Ｈ逡逑ｅｌ＾ｔｒｏｄｆ邋＿相yU８｜Ｓ＾｜ｐｉ＾１｜ｐＳ８＾—逡逑圖１．２邋２Ｄ肝芯片逡逑圖注：（ａ）基于肝芯片培養(yǎng)模式提高肝細胞的特異性功能［２６］；邋（ｂ）基于肝芯片的混合藥物逡逑系統(tǒng)評估［２７］；邋（ｃ）利用介電泳操控肝細胞和人臍靜脈內(nèi)皮細胞的有序排列，以實逡逑現(xiàn)多細胞的分區(qū)培養(yǎng)［１９］；邋（ｄ）基于介電泳模式的肝竇芯片用于藥物毒性測試Ｍ逡逑１．２．２類組織３Ｄ肝芯片逡逑近年來，微技術的發(fā)展使得３Ｄ微組織工程得到飛速發(fā)展，３Ｄ微組織發(fā)展逡逑的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面。第一，與２Ｄ培養(yǎng)的肝細胞相比，肝細胞在３Ｄ培逡逑６逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：R318

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本文編號：2702120