[发明专利]一种基于器官芯片的三维类肝组织模型构建方法

说明书

本发明一种基于器官芯片的三维类肝组织模型构建方法，主要步骤为：器官芯片的制备与修饰；拟胚体EBs的原位形成；类肝在器官芯片中的分化和成熟。本发明构建的一种新型的工程化的三维类肝发育模型，是一种基于器官芯片技术的可灌流的微反应器。本发明是将体内肝发育的基本原理和工程化技术结合，更好地模拟了肝形成的微环境。本发明具有成本低、操作简单、可原位追踪和实时监测等优点，可替代动物模型和传统的二维培养方式，在一定程度上模拟肝的形成与发育，为体外模拟肝形成、药物代谢、药物筛选和毒性检测等方面提供了一个强有力的技术支撑。

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术和组织工程的领域，具体涉及一种基于器官芯片的三维类肝组织模型构建方法。

背景技术

肝脏是一个复杂的器官具有独特结构和有大量的基本功能包括血清清蛋白的生物合成、能量代谢、转换的药物、解毒和胆汁的生产。肝脏体外模型对疾病的研究和有效的药物测试是至关重要的。然而，由于物种间差异，动物模型尚不能真实地评估药物在人体内引起的肝毒性效应。人来源的肝体外模型可以获得更准确的候选药物信息，从而有效地弥补动物实验中的缺陷。目前主要的人源肝细胞是人原代肝细胞，具有典型的肝特异性功能，但细胞来源有限。人多能干细胞hiPSCs已被认为是一个潜在的有价值的细胞来源，可以无限供应并用来构建人肝脏体外模型，体现肝细胞特定的基本功能。一般来说hiPSCs向肝细胞分化的方法是使用一系列的化学物质或诱导因子，分化过程包括特定的内胚层诱导，肝前体细胞分化和肝细胞成熟。

近几年来多种干细胞来源(包括成体干细胞、胚胎干细胞以及诱导多能干细胞hiPSCs)的类器官技术得到了有效发展。研究表明hiPSCs能定向分化成特异的细胞类型，并具有强大的自组装能力，能形成多种类器官，目前已有的 hiPSCs来源的类器官包括肝，肠，视网膜和大脑等。其中类肝器官的形成是由干细胞特异性分化并自组装成具有三维结构的多细胞聚集体，在体外进一步发育成具有一定结构和功能特异性的组织，一定程度上模拟了相应肝的发育过程和基本功能。人干细胞来源的类肝模型可以在模拟肝发育过程、药物测试和细胞替代疗法以及疾病模型的建立和机制研究等方面提供一个潜在的平台，有效

弥补传统二维细胞培养模型以及动物模型的不足，具有广泛的应用前景。尽管这类技术有潜在的优势和应用，仍然面临很多局限和不足。首先，由于3D 细胞团的结构特点，使得内部细胞由于缺少氧气和营养，出现中心细胞坏死现象，极大限制了类肝发育的程度，包括体积大小、功能成熟度等，而在生理情况下肝组织中分布着血管网络用于提供充分的氧气和营养物质，是传统方法很难实现的；其次，实现肝组织血管化和细胞-细胞/基质间相互作用是现有方法难以达到的；另外，传统方法中如使用旋转反应器培养类器官需要消耗大量的培养基和培养空间，成本较高并且可操作性不强，不利于施加不同的条件刺激。最后，传统方法主要是利用细胞自组装和化学因子诱导形成类肝，没有时空上的因素控制及物理因素的参与。而体内肝脏发育是一个动态的过程，组织形态发生和器官形成均需考虑细胞微环境因素，如机械流体流动、生化因子、多细胞之间相互作用等等。因此，可控的细胞微环境也是实现体外3D肝模型建立需要考虑的问题。结合现有的工程化手段尤其是微流控技术，有望优化类肝技术。

器官芯片作为细胞培养载体，不仅可以实现通道结构尺寸的灵活设计，而且能在三维环境中模拟细胞微环境的关键因素，包括流体流动、信息交互、生化信号等等。流体控制有助于促进营养物质和氧气的交换，减少细胞凋亡或细胞团中心坏死现象，为细胞培养提供良好的生存环境。结合微流控技术不仅能解决现有设备存在体系复杂和营养物质运输欠缺的问题，还可进行细胞的实时监测和观察。但是目前将微流控技术与类肝技术相结合，优化体外类肝的形成及操作尚属空白。

发明内容