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MicroFab | 喷墨打印用于肺类器官芯片(Lung-on-a-Chip)制备

作者:上海睿度光电科技有限公司 2023-07-28T00:00 (访问量:11986)

 

韩国浦项科技大学Sungjune Jung教授团队使用MicroFab的按需喷墨生物打印系统Jetlab II,将喷墨打印与微米级别的三层肺泡组织有效地结合起来,开发了一个与人体生理结构高度类似的肺类器官芯片模型,克服了传统组织制造方法在微流控装置中的局限性,是研究肺部病毒感染和疾病模型以及药物分析的有效工具。

介绍

肺是呼吸系统的主要器官,在循环系统内吸入空气和血液进行气体交换,肺泡直接暴露于外部环境中,使肺部容易受到细菌和病毒等病原体的感染,导致肺炎、结核病和肺癌等疾病的发展。对研究疾病的发病机制和药物研究的体外肺模型的需求正在增加。传统的二维细胞培养模型在结构和功能上与活体肺存在差异,不适合用于诊断和治疗。肺类器官芯片是一个先进的培养平台,模拟肺泡屏障的机械和结构特性,反映其生理微环境,包括灌注和肺功能。

生物打印是一种多功能技术,可以自动制造复杂的3D结构的组织模型。Sungjune Jung教授团队使用MicroFab按需喷墨生物打印系统Jetlab II(80μm喷头)通过微米分辨率定位喷射皮升体积的细胞悬液,成功在微流控芯片中构建超薄多层肺泡屏障组织, 从而使精确制造的组织在灌注下的培养能够模拟人体肺部的功能。如图1所示。

▲ 图1 用于安装包含生物喷墨打印的肺泡屏障组织的培养插件的微流控系统的示意图。A(i) PDMS培养插件可安装的生物芯片,(ii)在组织培养插件中喷墨打印人体肺泡活细胞,(iii)将含有活组织的培养插件安装到PDMS芯片中,(iv)在安装四个插件后向肺类器官芯片灌注培养基。B (i)包括流体系统的肺类器官芯片的横截面示意图和(ii)芯片上的肺泡屏障组织的横截面示意图。

人体肺泡屏障模型的喷墨生物打印。采用按需喷墨生物打印技术制备了四种肺泡细胞系(人肺微血管内皮细胞、含有胶原的成纤维细胞和两种类型的人肺泡上皮细胞)的微米厚三层人体肺泡屏障模型,图2展示了整个打印过程、含有细胞的液滴高速频闪图像和细胞的阵列代表图。

▲ 图2 利用喷墨生物打印技术制备肺泡屏障模型。(A)肺泡屏障模型的顺序打印过程示意图。(B)压电喷墨打印机单喷头的自动组织打印过程的图像。(C)喷射载细胞液滴的高速频闪图像。比例尺:100μm。(D)打印在基底上的6×6载细胞液滴阵列的代表性图像。比例尺:200μm。

为了对打印的结构特征和细胞活力进行评估,生物打印的肺泡屏障模型在制作完成1天后植入微流控装置,灌注培养7天。组织学图像显示胶原基底膜两侧的上皮细胞和内皮细胞均匀分布的三层结构(图3A),图3B为生物喷墨打印肺泡屏障组织在静态条件下的多孔板和灌注条件下的芯片中培养7天后的细胞活力。两组之间在细胞活力方面的差异可以忽略不计。图3C显示,培养7天后,TEER值大幅增加,说明培养组织在装置上的屏障完整性增加。采用末端脱氧核苷酸转移酶dUTP缺口末端标记(TUNEL)实验观察培养组织中的凋亡细胞(图4D),结果表明将培养插件整合到微流控装置中不会对喷墨生物打印的肺泡组织的细胞活力产生不良影响。

▲ 图3 (A)聚碳酸酯(PC)多孔膜对肺泡屏障组织切片的H&E染色。比例尺:10μm。(B)在孔板(静态)和微流控装置(灌注)上培养的生物打印组织上,使用CCK-8实验的细胞增殖率比较。“空白”用一个无细胞的Transwell插件进行测试。(C)芯片上培养的肺泡屏障组织的TEER值测定。(D)用TUNEL检测试剂盒处理的肺泡屏障组织的荧光图像。凋亡细胞呈绿色,正常细胞呈红色。比例尺:100μm。

为了分析肺泡屏障组织的功能基因,进行了2D细胞培养模型和芯片上喷墨生物打印模型之间的代表性肺泡基因表达谱的比较,如图4所示,包括表达紧密连接蛋白(ZO-1、occludin和E-cadherin)、离子通道(α-ENaC、β-ENaC和γ-ENaC)、离子输送泵(ATP1A1)和表面活性剂蛋白(亲水性SP-A和疏水性SP-B)的基因,这些基因参与肺泡屏障的关键功能,包括屏障形成、液体清除和表面活性剂分泌。结果表明,在芯片上喷墨生物打印的组织中,呼吸道上皮屏障的完整性得到了改善,可以更准确地反映肺功能。

▲ 图4 2D细胞培养模型和芯片上喷墨生物打印模型的代表性肺泡基因表达谱的比较。


结论

结合肺类器官芯片和喷墨生物打印技术是一种创新的方法,利用MicroFab按需喷墨生物打印系统Jetlab II开发了一种新型的肺类器官芯片平台,并且可以植入微流控系统,提供ALI培养条件,且不均匀分布系数低(1.8%),对于人类未来在体外模拟各种器官从而对其进行各种研究有重大意义,是研究病毒感染和疾病模型以及药物分析的有效工具。

参考文献:
[1] Kim W , Lee Y , Kang D ,et al.3D Inkjet-Bioprinted Lung-on-a-Chip[J].ACS Biomater. Sci. Eng. 2023, 9, 5, 2806–2815

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