微生理系統(tǒng) （microphysiological systems） 又叫組織芯片 （tissue-on-chip） 或器官芯片 （organ-on-chip）， 是通過在芯片上構(gòu)建動物或人體的部分組織或器官的生理微系統(tǒng)，在體外模擬組織或器官的結(jié)構(gòu)和功能。微生理系統(tǒng)在基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究和藥物開發(fā)的體外建模上有重要應(yīng)用。

現(xiàn)有的微生理系統(tǒng)或器官芯片大多數(shù)是基于二維平面結(jié)構(gòu)，在模擬真實(shí)三維組織方面有局限，特別是針對成熟的、結(jié)構(gòu)較厚的三維形態(tài)的組織。骨骼肌就是一個例子。作為占人體體重約40%的組織，骨骼肌通過收縮產(chǎn)生運(yùn)動，負(fù)責(zé)支配人的基本活動。針對檢測骨骼肌生理活動的微生理系統(tǒng)可用來研究肌肉萎縮癥等疾病病理，以及開發(fā)相應(yīng)藥物進(jìn)行針對性的治療。

近日，美國西北大學(xué)John A. Rogers課題組、黃永剛課題組與伊利諾伊大學(xué)香檳分校Rashid Bashir教授課題組在美國國家科學(xué)院院刊 （PNAS） 發(fā)表了題為“Compliant 3D frameworks instrumented with strain sensors for characterization of millimeter-scale engineered muscle tissues”的研究論文。

原西北大學(xué)John A. Rogers組博士后、現(xiàn)南加州大學(xué)助理教授趙航波，Rashid Bashir組博士生Yongdeok Kim， 黃永剛組博士后王禾翎和賓州州立大學(xué)助理教授寧鑫為論文的共同第一作者。美國西北大學(xué)John A. Rogers院士和黃永剛院士以及伊利諾伊大學(xué)Rashid Bashir教授為本文的共同通訊作者。

該成果通過微加工和屈曲（buckling）實(shí)現(xiàn)集成有應(yīng)力傳感器的毫米尺度的三維柔性結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)精確可控的三維形狀，與三維的小鼠組織工程骨骼肌形成緊密結(jié)合。小鼠骨骼肌的微小收縮能通過三維柔性結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力傳感器檢測到，從而實(shí)現(xiàn)對組織工程肌收縮的連續(xù)和高精度檢測。

相對現(xiàn)有的基于光學(xué)顯微鏡的測量技術(shù)，這種三維柔性傳感器能實(shí)現(xiàn)對組織工程肌收縮高精度、高通量、更便捷的片上測量。在此三維柔性微生理傳感器上，還進(jìn)行了小鼠組織工程肌活動的長期監(jiān)測，以及測試對不同藥物的反應(yīng)。這種集成有傳感器或其他功能器件的柔性三維系統(tǒng)對于開發(fā)微生理系統(tǒng)或器官芯片提供了新的方法。

結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1展示了三維柔性微生理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理。首先用微加工制備包括了應(yīng)力傳感器的多層平面結(jié)構(gòu)，然后利用在可拉伸基底上的屈曲實(shí)現(xiàn)從平面圖形到三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。圖2動態(tài)展示了屈曲變形的過程。位于三維結(jié)構(gòu)彎曲處的應(yīng)力傳感器在受力變形時應(yīng)力傳感器能將變形轉(zhuǎn)化成電信號進(jìn)行測量。受力、變形與應(yīng)力傳感器電信號之間的相互關(guān)系通過有限元模擬以及實(shí)驗進(jìn)行了驗證。

圖1： 三維柔性微生理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理。

圖2：從二維圖形通過屈曲變形為三維微結(jié)構(gòu)的動態(tài)示意圖。

這種三維柔性微生理系統(tǒng)被應(yīng)用于小鼠組織工程肌來監(jiān)測骨骼肌的收縮活動。小鼠組織工程肌由肌母細(xì)胞在環(huán)形的模具中分化而成組織環(huán)。在此過程中，通過光遺傳方法使得組織環(huán)對藍(lán)光敏感，便于通過光照來控制肌肉環(huán)的收縮。肌肉環(huán)能被套在三維柔性結(jié)構(gòu)上，形成緊密穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)合（圖3）。

圖3： 三維柔性微生理系統(tǒng)與環(huán)形的小鼠骨骼肌組織集成過程。

傳感性能

三維柔性微生理系統(tǒng)能通過內(nèi)嵌的應(yīng)力傳感器精確測量肌肉環(huán)的收縮位移和收縮力。目前常用的測量組織工程肌收縮的方法是通過顯微鏡測量位移再轉(zhuǎn)化為收縮力。這種方法受限于顯微鏡分辨率以及幀數(shù)，很難對組織的收縮活動精確測量。而三維柔性微生理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)超高采樣頻率及微小力的測量 （圖4）。

圖4： 三維柔性微生理系統(tǒng)測量的不同光刺激強(qiáng)度和頻率下小鼠骨骼肌組織環(huán)的收縮力。

長期監(jiān)測與藥物反應(yīng)研究

由于器件穩(wěn)定性以及生物兼容性，這種三維柔性微生理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對組織工程肌的收縮活動進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測。圖5A顯示了組織收縮行為在數(shù)周時間內(nèi)先增強(qiáng)后衰退的過程。圖5B-E展示了骨骼肌組織收縮受乙酰膽堿、咖啡因和單挫林等化學(xué)試劑和藥物作用下的影響。

圖5： 三維柔性微生理系統(tǒng)測量小鼠骨骼肌組織環(huán)收縮力的長期變化以及對不同藥物的反應(yīng)。

編輯：jq