案例分享：BE-Transflow芯片助力構(gòu)建上皮模型用于組織屏障滲透性研究
一、概述
體外重現(xiàn)組織屏障的滲透性對于評估化學(xué)物質(zhì)、藥物或化妝品等在上皮組織的選擇性轉(zhuǎn)運至關(guān)重要。物質(zhì)對組織屏障的滲透能力影響它們的吸收和效果。因此，在制藥和化妝品行業(yè)，尤其是在毒理學(xué)研究中確定物質(zhì)的滲透性非常關(guān)鍵。
器官芯片技術(shù)是一門在建立體外屏障模型方面表現(xiàn)十分出色的新興技術(shù)。器官芯片的小型通道和腔室特性使多類型細胞的培養(yǎng)和組織單元功能重建成為可能。BE-Transflow芯片允許對皮膚等上皮進行氣液界面(ALI)培養(yǎng)，在進行滲透性研究上提供了很大的便利。
二、BE-Transflow芯片進行滲透性研究
在2023年的一項研究中，來自西班牙薩拉戈薩大學(xué)阿拉貢工程研究所組織微環(huán)境實驗室的研究人員利用BE-Transflow芯片開發(fā)了一種上皮芯片模型。研究人員通過在BE-Transflow芯片的培養(yǎng)井中培養(yǎng)永生化人角質(zhì)形成細胞系(HaCaT細胞)14天獲得了分層皮膚上皮。細胞在接種4天后，除去頂部的培養(yǎng)基以形成氣液界面并通過底部通道中循環(huán)的培養(yǎng)基來培養(yǎng)細胞。通過鈣黃綠素染色評估形成的層的活力。蘇木精-伊紅染色顯示了BE-Transflow芯片中的分層上皮。通過免疫組化評估，細胞角蛋白-2、-10和-14的表達確認了三個表皮層。
圖1 培養(yǎng)14天后HaCaT細胞的復(fù)層上皮。(A)蘇木精-伊紅染色。細胞角蛋白2(B)、細胞角蛋白10(C)和細胞角蛋白14(D)的免疫染色呈綠色。用DAPI(藍色)進行細胞核染色。
下一步是評估芯片上皮模型是否可以確定不同分子的滲透系數(shù)。為此，研究人員對熒光素的滲透性進行了4小時的評估，結(jié)果顯示滲透曲線呈線性斜率，這使得該分子的滲透性系數(shù)和獲得的值與人角膜內(nèi)皮中發(fā)現(xiàn)的值相似。此外，使用FITC標記的不同分子量的葡聚糖對其滲透系數(shù)進行定量分析。該模型能夠根據(jù)斯托克斯-愛因斯坦方程將化合物的斯托克斯半徑與其滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)起來。該結(jié)果特別有價值，因為它允許通過確定分子的滲透系數(shù)來估計分子的斯托克斯半徑，反之亦然。
圖2 (A)每30分鐘至8小時超時定量熒光素滲透性(mol/m−3x103) (B)每10分鐘至4小時超時定量熒光素滲透性(mol/m−3x103) (C) 4000、10000、20000和40000 g/mol分子量 (mol/m−3x103)的異硫氰酸酯-葡聚糖(右旋糖酐)的熒光素滲透性，每30分鐘進行一次定量，直至8小時。(D)根據(jù)量化滲透率計算出的滲透系數(shù)(m/sec)x10−8與所研究的異硫氰酸熒光素-葡聚糖所描述的斯托克斯半徑的倒數(shù)((m−1)x109))之間的加權(quán)最小二乘擬合。
最后，研究人員使用芯片上皮模型通過滲透系數(shù)確定金納米顆粒的半徑。研究人員制備了不同尺寸的納米顆粒，并與之前的葡聚糖分子類似地評估了它們的滲透系數(shù)。根據(jù)獲得的值，研究人員可以計算顆粒的斯托克斯半徑，其結(jié)果與透射電子顯微鏡獲得的值相似。
總體而言，本文展示了Be-Transflow裝置作為滲透性研究的芯片上皮平臺的重要作用，特別是在確定與分子或顆粒擴散相關(guān)的斯托克斯半徑方面。該模型將其適用性擴展到皮膚、腎、腸或肺等器官中發(fā)現(xiàn)的上皮細胞。
體外重現(xiàn)組織屏障的滲透性對于評估化學(xué)物質(zhì)、藥物或化妝品等在上皮組織的選擇性轉(zhuǎn)運至關(guān)重要。物質(zhì)對組織屏障的滲透能力影響它們的吸收和效果。因此，在制藥和化妝品行業(yè)，尤其是在毒理學(xué)研究中確定物質(zhì)的滲透性非常關(guān)鍵。
器官芯片技術(shù)是一門在建立體外屏障模型方面表現(xiàn)十分出色的新興技術(shù)。器官芯片的小型通道和腔室特性使多類型細胞的培養(yǎng)和組織單元功能重建成為可能。BE-Transflow芯片允許對皮膚等上皮進行氣液界面(ALI)培養(yǎng)，在進行滲透性研究上提供了很大的便利。
二、BE-Transflow芯片進行滲透性研究
在2023年的一項研究中，來自西班牙薩拉戈薩大學(xué)阿拉貢工程研究所組織微環(huán)境實驗室的研究人員利用BE-Transflow芯片開發(fā)了一種上皮芯片模型。研究人員通過在BE-Transflow芯片的培養(yǎng)井中培養(yǎng)永生化人角質(zhì)形成細胞系(HaCaT細胞)14天獲得了分層皮膚上皮。細胞在接種4天后，除去頂部的培養(yǎng)基以形成氣液界面并通過底部通道中循環(huán)的培養(yǎng)基來培養(yǎng)細胞。通過鈣黃綠素染色評估形成的層的活力。蘇木精-伊紅染色顯示了BE-Transflow芯片中的分層上皮。通過免疫組化評估，細胞角蛋白-2、-10和-14的表達確認了三個表皮層。
圖1 培養(yǎng)14天后HaCaT細胞的復(fù)層上皮。(A)蘇木精-伊紅染色。細胞角蛋白2(B)、細胞角蛋白10(C)和細胞角蛋白14(D)的免疫染色呈綠色。用DAPI(藍色)進行細胞核染色。下一步是評估芯片上皮模型是否可以確定不同分子的滲透系數(shù)。為此，研究人員對熒光素的滲透性進行了4小時的評估，結(jié)果顯示滲透曲線呈線性斜率，這使得該分子的滲透性系數(shù)和獲得的值與人角膜內(nèi)皮中發(fā)現(xiàn)的值相似。此外，使用FITC標記的不同分子量的葡聚糖對其滲透系數(shù)進行定量分析。該模型能夠根據(jù)斯托克斯-愛因斯坦方程將化合物的斯托克斯半徑與其滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)起來。該結(jié)果特別有價值，因為它允許通過確定分子的滲透系數(shù)來估計分子的斯托克斯半徑，反之亦然。
圖2 (A)每30分鐘至8小時超時定量熒光素滲透性(mol/m−3x103) (B)每10分鐘至4小時超時定量熒光素滲透性(mol/m−3x103) (C) 4000、10000、20000和40000 g/mol分子量 (mol/m−3x103)的異硫氰酸酯-葡聚糖(右旋糖酐)的熒光素滲透性，每30分鐘進行一次定量，直至8小時。(D)根據(jù)量化滲透率計算出的滲透系數(shù)(m/sec)x10−8與所研究的異硫氰酸熒光素-葡聚糖所描述的斯托克斯半徑的倒數(shù)((m−1)x109))之間的加權(quán)最小二乘擬合。
最后，研究人員使用芯片上皮模型通過滲透系數(shù)確定金納米顆粒的半徑。研究人員制備了不同尺寸的納米顆粒，并與之前的葡聚糖分子類似地評估了它們的滲透系數(shù)。根據(jù)獲得的值，研究人員可以計算顆粒的斯托克斯半徑，其結(jié)果與透射電子顯微鏡獲得的值相似。
總體而言，本文展示了Be-Transflow裝置作為滲透性研究的芯片上皮平臺的重要作用，特別是在確定與分子或顆粒擴散相關(guān)的斯托克斯半徑方面。該模型將其適用性擴展到皮膚、腎、腸或肺等器官中發(fā)現(xiàn)的上皮細胞。
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