在三维流体芯片中模拟肺叶切除术后血管内皮糖萼——一种基于血管的器官芯片系统的构建方法

Mensah 实验室致力于血管研究，正在开发用于研究内皮糖萼及其在血管疾病中作用的新技术。近期进展包括建立更先进的体外糖萼研究模型，以及探索针对疾病中内皮糖萼健康维护与修复的治疗策略。实验挑战主要包括现有的体外模型尚不完善，无法准确模拟健康的糖萼结构，以及定量和测量技术复杂困难。

我们目前对这一领域的贡献拓展了对内皮糖萼的现有认知，特别是在其于癌症转移、受损糖萼再生以及与血管表面受体相互作用方面的作用。我们的方法提供了一种经济高效的技术，用于构建器官芯片血管系统，该系统所表达的内皮糖萼相较于传统技术更为成熟且具有生物模拟特性。首先，在一个50毫升离心管中称取10份硅胶弹性体基础材料。

将一份固化剂倒入含有硅弹性体基础液的试管中，最终体积为30毫升。充分混合，得到均匀的溶液。然后将混合均匀的溶液倒入模具中，将模具放入真空室中对PDMS脱气30至60分钟，或直至无气泡残留。

将脱气后的PDMS从真空室中取出，并在室温下固化48小时。从PLA模具中取出固化的PDMS，然后在每块细胞培养板中放置两段双面胶带。

接下来，将每个PDMS血管结构的一半分别放置在细胞培养皿中的胶带上。使用微量移液器，沿PDMS血管结构滴加数滴30微升的纤连蛋白。根据需要倾斜PDMS，用移液器吸头将纤连蛋白均匀涂布于表面。

孵育30分钟后，从PDMS中吸除纤连蛋白溶液。然后将PDMS片段置于超净台内自然干燥。在PDMS血管结构半片的每一端放置3D打印的堵头，以防止细胞悬液泄漏，每片使用两个堵头。

使用微量移液器，将 300 微升 HLMVEC 细胞悬液接种到每块 PDMS 上，然后孵育。随后将两半部分放回超净台，移除四个塞子。加入 HLMVEC 培养基，使 PDMS 血管结构的两半完全浸没，再次孵育 6 至 10 小时。

现在从含有血管半片的培养皿中吸除人肺微血管内皮细胞（HLMVEC）培养基。将每个PDMS半片放入聚碳酸酯块中，确保对齐准确。在PDMS血管的两端涂抹硅胶密封剂。

将一英寸长的软管插入底部PDMS部件的两端。然后将带有顶部PDMS半片的上层丙烯酸块翻转，对准到底部丙烯酸块上。用螺栓将两块丙烯酸块固定在一起，并确保带螺纹的块位于底部。

使用3D打印的堵头封闭管路的自由端。取下其中一个堵头，用微量移液器向血管系统中轻轻注入500 µL的HLMVEC培养基。倾斜以去除气泡，然后重新装上堵头。

将组装好的芯片和无菌组件放入生物安全柜中。连接所有管路并组装流体系统，确保进样管路连接到注射器储液槽的底部，以促进重力流。现在用HLMVEC培养基轻轻预润流体系统。

使用一个50毫升的血清移液管。将30毫升培养基注入注射器储液罐顶部，并以低速运行蠕动泵以填充管路。用PBS清洗每个PDMS血管半片5分钟，加入足量溶液以完全浸没血管部分。

流体模拟结果显示，在肺切除模型中，与对照模型相比，血管分叉处的剪切应力显著升高。明场显微镜证实，在静态和流动条件下，24小时后于93.1毫升/分钟流速下，HLMVEC细胞均能均匀贴壁。入口分叉处的荧光成像显示，对照模型和肺切除模型中的细胞层均完整且分布良好。

在第二次分叉后立即进行成像，结果显示对照组和肺切除模型均出现明显的细胞丢失。在两个模型中，第二次分叉下游区域的细胞仍保持贴壁状态，并显示出一致的染色。血管模型中DAPI染色均匀的细胞核表明，尽管受到流体剪切作用，细胞仍维持了融合状态。

早期的对照模型试验由于系统启动过程中引入了气泡，导致细胞分布不均。