[发明专利]一种肠道模拟芯片及其应用

说明书

本发明公开了一种肠道模拟芯片及其应用。所述肠道模拟芯片包括：培养层，包含培养腔室，用以对待培养的细胞进行培养，所述培养腔室一侧内壁上设置有绒毛结构；弹性膜层，包括具有透气性的弹性膜；气动层，包含气体腔室和与所述气体腔室连通的气动控制管道，所述弹性膜覆设于所述气体腔室上，所述气动层至少用以驱使所述弹性膜的局部区域产生趋向所述培养腔室的形变和/或位移，进而使所述培养腔室设置有绒毛结构的内壁产生相应的形变和/或位移。本发明的肠道模拟芯片可以在同一个装置上实现对肠道绒毛结构的模拟，对肠蠕动的模拟，以及对肠道溶氧环境的模拟。

技术领域

本发明涉及一种肠道模拟芯片，尤其涉及一种能够进行肠绒毛、肠道蠕动以及肠道溶氧环境模拟的肠道模拟芯片及其应用，属于微流控技术在器官芯片的应用领域。

背景技术

近几年器官芯片的研究得到了巨大的发展，在新药研发、干细胞研究、组织器官发育和毒理学预测等领域具有重要应用前景，被2016年达沃斯论坛列为“十大新兴技术”之一。研究人员已经在微流控芯片上实现了众多人体器官的构建，如芯片肝、芯片肺、芯片肠、芯片肾、芯片血管、芯片心脏以及多器官芯片等。荷兰生物技术公司Mimetas研发了一种芯片肾，并与几家制药公司达成了应用合作协议将其用于药物筛选；另外，强生公司也计划利用哈佛大学wyss生物工程研究所隶属Emulate公司的人体血栓仿真芯片系统进行药物试验，并利用肝芯片测试药物的肝毒性。肠道菌群的研究也是近几年科研的热点，2016年，三大期刊Nature、Science和Cell纷纷发表肠道微生物组方面的重磅研究文章，这些文章从不同的角度揭示了肠道微生物组在人类健康和疾病中发挥着至关重要的作用。爱丁堡大学MRC炎症研究中心的科学家们在science上发表论文揭示出了，免疫系统阻止我们肠道中的细菌渗入血液中引起败血症一类全身性炎症的机制；由欧洲-中国团队开展的被称作MetaHit的突破性研究发现特定的肠道细菌不平衡能够导致胰岛素耐受性，从而导致2型糖尿病等健康问题的风险增加，相关研究结果于2016年7月13日在线发表在Nature期刊上。结合当今国内外科研界的研究热点，肠芯片的发展已经成为趋势。肠是消化管中最长的一段，也是消化功能最重要的一段。大部分药物都是通过口服进入人体，口服药物须经过小肠进入血液循环，因此研究药物经肠道细胞的吸收成为了药物筛选的重要步骤。小肠壁上的绒毛使得小肠拥有巨大的表面积，从而达到快速吸收营养物质的作用，所以芯片上小肠绒毛形态学的建立对研究肠功能具有重要的意义。

活体动物模型可用于研究许多肠道疾病和现象，包括炎症基因组学、过敏性肠综合症、短肠综合症、胃肠炎等，然而，使用体内肠道模型难以控制许多肠道过程，特别是关于上皮细胞响应特定环境线索的行为。合成的体外肠道模型可以以良好控制的方式改善肠功能的研究，特别是对细胞生长和增殖，药物吸收和宿主-微生物相互作用的研究。

2012-2015年，Donald E.Ingber et.al设计了一个由两个微流体管道组成的仿生“人体肠道芯片”微型设备，微流体通道由涂有细胞外基质(ECM)的多孔柔性膜隔开，并由人肠上皮(Caco-2)细胞排列，模拟活肠的复杂结构，并以低速流动流体在微通道上产生低剪切应力，通过施加模拟生理蠕动运动的循环应变(10％，0.15Hz)来重建肠道微环境，在这些条件下，柱状上皮发展迅速极化，自发生长成褶皱，重现肠绒毛的结构，并形成一个高完整性屏障小分子，该芯片是一体化芯片，培养层和气动层是一体化的不可以拆分，组装过程相对复杂，样品量少，反应的生物现象的说服力较为不够，并且虽然该芯片能模拟生理蠕动，但是再这种条件下产生的绒毛不仅是高度还是半径与实际的肠绒毛有很大区别。

2014年John C.March et.al开发了具有绒毛特征的多孔合成3D组织支架，使用激光雕刻在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板上创建500μm深、200um直径、高纵横比的模板阵洞，用PDMS倒入PMMA模板上通过翻模得到绒毛的结构，再将琼脂倒入PDMS模板中通过翻模得到模具，最后将高PLGA/低致孔剂倒入琼脂模具中最终形成初始绒毛结构用以模拟肠道环境。该芯片虽然在结构上模拟了肠道绒毛，但是制作工艺相对复杂，价格相对较高，并且只是在芯片中静置培养，不能很好的模拟肠道动态变化的生理环境。