[发明专利]具有微通道的器官模仿装置及其使用和制造方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2008年7月16日提交的美国临时申请号No.61/081,080的优先权，在此引入它的全部内容作为参考。

本申请是中国专利申请第200980132001.9号的分案申请，第200980132001.9号的专利申请其申请日是2009年7月16日，发明名称是“具有微通道的器官模仿装置及其使用和制造方法”。

政府支持

本发明受到美国国家卫生研究院资助号No.NIH R01 ES016665-01A1的政府支持。美国政府对其具有一定的权利。

技术领域

本发明总体上涉及一种具有微通道的器官模仿装置及其使用和制造方法。

背景技术

机械力-推力、拉力、张力、压力-是细胞发育和行为的重要调节因素。张拉整体结构提供了决定这些物理力在细胞或组织内如何分布以及它们在哪里如何施加各自影响的结构。

在人体内，大部分细胞不断受到机械力，如张力或压力。对培养基中的细胞施加机械应变模拟体内环境，从而在细胞内造成巨大的形态变化和生物力学反应。既存在当细胞被机械地加到培养基中时发生的长期变化，也存在短期变化，例如在DNA或RNA合成或降解、蛋白表达和分泌、细胞分裂和排列的速率和量方面的变化、能量代谢方面的变化、大分子合成或降解的速率方面的变化以及在生物化学和生物能学方面的其他变化。

每个细胞具有内部支架或细胞骨架，即由分子“柱和线”形成的格子。“线”是一种被称作微纤丝的细线的纵横交错的网络，它从细胞膜延伸到细胞核，施加向内拉力。对抗拉力的是微管、细胞骨架的较厚承压“支柱”、将细胞锚定到细胞外基质的细胞外膜上的特事实上受体分子以及将细胞群保持在一起的纤维物质。这种力平衡是张拉整体结构的特点。

组织从细胞群构建而成，组织象位于细胞外基质的“蛋盒”上的蛋。用于将细胞锚定到基质的受体分子(称为整合素)使细胞连接到更广阔的世界。首先通过这些锚固点上的整合素感受到组织上的机械力，然后由细胞骨架运输到每个细胞内部的深区域。在细胞内部，机械力可能会使蛋白分子的形状振动或改变，从而引发生化反应，或者拖曳细胞核中的染色体，从而活化基因。

细胞也可被认为具有“紧张度”，就象肌肉一样，这是因为对细胞骨架的纤丝不断施加拉力。就象被拉伸的琴弦在沿其长度上的不同点施加力时会产生不同的声音，细胞取决于它如何被扭曲而产生不同的化学信号。

生长因子取决于细胞如何被拉伸而具有不同的效果。被拉伸和扁平化的细胞，如在伤口表面上的细胞，倾向于生长和繁殖，而由过度拥挤条件紧缩的圆化细胞开启“自杀”程序并死亡。相比而言，既未拉伸也未回缩的细胞继续发挥它们预定的功能。

细胞张拉整体结构的另一原则在于物理位置方面。当调控分子在细胞内松散浮动时，它们的活性很少受到作用在整个细胞上的机械力的影响。但是当它们附着到细胞骨架上时，它们成为更大网络的一部分，而且处于影响细胞作出决定的位置。许多调控和信号分子锚定在细胞表面膜处的细胞骨架上，在称作粘附点的部位中，在那里整合素集群。这些最初位置是关键的信号处理中心，就象计算机网络中的节点，在那里邻近分子可以接收来自外部世界的机械信息并交换信号。

因此，在生理环境中评估药物、药物输送载体、纳米诊断或治疗或环境应激物(如粒子、气体和毒素)的全面效果，不仅需要研究细胞-细胞以及细胞-化学相互作用，而且需要研究这些相互作用在健康组织和患病组织中如何受到生理机械力的影响。

用于改变培养基中细胞的机械环境或反应的方法包括通过刮开单层使细胞受伤，施加磁场或电场，或者通过用螺旋装置施加静态或循环张力或压力、施加液压或将重物直接施加到培养的细胞上。通过使细胞接触流体流诱发了剪应力。然而，这些程序中很少有程序允许量化施加的应变或提供的调控，从而在维持生理相关的组织-组织相互作用的培养基微环境内实现宽广再现范围的周期变形。

活器官是由两个以上紧邻的组织构成的三维血管化结构，它们一起发挥功能并在动态机械力(如流体剪切和机械应变)存在下穿过组织-组织界面输送材料、细胞和信息。制造含有用于再现这些生理组织-组织界面并允许流体流动和动态机械变形的活细胞的微装置，对于研究复杂的器官功能(如免疫细胞搬运、营养吸收、感染、氧气和二氧化碳交换等)和对于药物筛选、毒理、诊断和治疗具有重要价值。