新型胰島微生理系統(tǒng)構(gòu)建：氣動微流體紡絲技術(shù)+胰島細胞微纖維

微生理系統(tǒng)是一種細胞模型，它可再現(xiàn)器官或組織中細胞所暴露的動態(tài)微環(huán)境，可用于復現(xiàn)生理學的各個方面。它們通常整合了氣體或液體流動等特征，因此常常被稱為微流控器官芯片。這類技術(shù)能有效彌補傳統(tǒng)動物模型在疾病機制研究和藥物反應(yīng)預(yù)測方面的局限性，并在特定場景下實現(xiàn)動物實驗替代。以糖尿病研究為例，其在藥物代謝評估（如肝臟-胰島軸模擬）及高效篩選中已展現(xiàn)出明確的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

上海大學材料基因組工程研究院高興華團隊通過氣動控制的微流體紡絲技術(shù)制備了負載胰島細胞的微纖維，用于構(gòu)建微生理系統(tǒng)。該研究成果以“Engin-eering pancreatic islet-loaded microfibers via pneumatically-controlled microfluidic spinning for the assembly of a microphysiological system"為題，發(fā)表在《Biomaterials》期刊上。

該研究介紹了一種基于微纖維的胰島微生理系統(tǒng)（MPS），通過氣動控制的微流體紡絲技術(shù)制備胰島細胞負載的微纖維，并將其與血管內(nèi)皮細胞共培養(yǎng)在微流控芯片中。該系統(tǒng)能夠模擬胰島的生理微環(huán)境，為糖尿病研究和藥物篩選提供了一個新的平臺。該研究通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10μm）制備了微流控紡絲芯片模具和組裝芯片模具，再結(jié)合PDMS翻模技術(shù)制備了兩種芯片。

圖1展示了胰島微生理系統(tǒng)的設(shè)計原理圖，包括基于微流控紡絲技術(shù)結(jié)合氣動控制制備的胰島微纖維，以及將微纖維與血管內(nèi)皮細胞組裝的微流控系統(tǒng)。圖中詳細描繪了微纖維的制備過程，包括核心流、樣本流和鞘流的注入，以及通過氣動控制實現(xiàn)的液滴形成和微纖維的收集。此外，還展示了微纖維在微流控系統(tǒng)中的組裝方式，以及最終構(gòu)建的胰島微生理系統(tǒng)，模擬了胰島的生理微環(huán)境和血管化結(jié)構(gòu)。

圖2展示了通過氣動控制微流控紡絲技術(shù)制備的含水滴微纖維的表征結(jié)果。圖中通過明場和熒光顯微鏡圖像展示了微纖維的連續(xù)性和水滴的均勻分布情況，同時利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析了微纖維的化學組成，確認了微纖維中鈣藻酸鹽和葡聚糖的存在。此外，通過共聚焦顯微鏡的三維成像技術(shù)進一步驗證了水滴在微纖維中的空間分布，表明水滴與纖維之間無相互擴散，為細胞的三維培養(yǎng)提供了獨立的微環(huán)境。

圖3展示了微流控紡絲條件優(yōu)化的結(jié)果，研究了氣動閥頻率、核心流速、樣本流速和鞘流速對微纖維中水滴尺寸、間距和纖維寬度的影響。結(jié)果顯示，核心流速和氣動閥頻率主要影響水滴的尺寸，樣本流速影響水滴間距，而鞘流速則主要影響纖維的寬度。通過優(yōu)化這些參數(shù)，實現(xiàn)了水滴的均勻分布和高通量制備，為細胞的三維培養(yǎng)提供了理想的微環(huán)境。

圖4展示了胰島細胞負載微纖維的制備與表征結(jié)果。圖中通過明場和熒光顯微鏡圖像展示了胰島細胞在微纖維中的分布情況，細胞被標記為綠色熒光，表明細胞在微纖維的水滴中均勻分布。細胞活性檢測結(jié)果顯示細胞在微纖維中具有高活性和良好的增殖能力。此外，通過共聚焦顯微鏡對細胞骨架和胰島素分泌的染色結(jié)果表明，細胞在微纖維中形成了類似胰島的三維結(jié)構(gòu)，并具有正常的內(nèi)分泌功能。基因表達分析進一步證實了微纖維中細胞的胰島功能增強。

圖5展示了微纖維組裝芯片的設(shè)計和流體動力學模擬結(jié)果。圖中詳細描繪了組裝芯片的結(jié)構(gòu)，包括用于微纖維和血管內(nèi)皮細胞共培養(yǎng)的大腔室以及對稱的微通道網(wǎng)絡(luò)。通過COMSOL軟件進行的流體動力學模擬顯示，通過調(diào)節(jié)入口流速，可以模擬毛細血管中的流體剪切應(yīng)力，為細胞提供生理相關(guān)的流體環(huán)境。模擬結(jié)果表明，微纖維和細胞所在的中央腔室的流體剪切應(yīng)力較低，而通道進出口附近的剪切應(yīng)力較高，這種梯度有利于內(nèi)皮細胞的生長和血管化。

圖6通過熒光顯微鏡圖像展示了血管內(nèi)皮細胞在微纖維表面的生長和血管化情況。結(jié)果顯示，內(nèi)皮細胞在微纖維表面形成了豐富的血管樣結(jié)構(gòu)，并表達了特異性的內(nèi)皮標記物CD31。通過共聚焦顯微鏡的Z軸掃描和三維建模，進一步證實了內(nèi)皮細胞在微纖維上的單層排列和血管樣結(jié)構(gòu)的形成。此外，基因表達分析表明，與二維培養(yǎng)相比，微纖維上的內(nèi)皮細胞表現(xiàn)出更高的血管生成相關(guān)基因表達水平，如CD31、VCAM-1和KLF2，表明微纖維促進了內(nèi)皮細胞的血管化。

圖7展示了胰島微生理系統(tǒng)的構(gòu)建和抗糖尿病藥物GLP-1(7-37)的評估結(jié)果。圖中通過熒光顯微鏡圖像展示了胰島細胞和血管內(nèi)皮細胞在微纖維上的共培養(yǎng)情況，以及胰島細胞的胰島素分泌功能。在動態(tài)培養(yǎng)條件下，胰島細胞保持了正常的內(nèi)分泌功能。通過MTT實驗、ELISA檢測和NO釋放檢測，評估了GLP-1(7-37)對胰島細胞和內(nèi)皮細胞的增殖、胰島素分泌和NO釋放的影響。結(jié)果顯示，GLP-1(7-37)顯著促進了胰島細胞的增殖和胰島素分泌，同時也增強了內(nèi)皮細胞的增殖和NO釋放能力，表明該微生理系統(tǒng)可用于抗糖尿病藥物的體外評估。

圖7. 胰島微生理系統(tǒng)的構(gòu)建和抗糖尿病藥物GLP-1(7-37)的評估結(jié)果。

總結(jié)：本文通過氣動控制的微流體紡絲技術(shù)成功制備了胰島細胞負載的微纖維，并構(gòu)建了一種模擬胰島生理微環(huán)境的微生理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠支持胰島細胞和血管內(nèi)皮細胞的共培養(yǎng)，還能夠用于藥物篩選和疾病機制研究。未來，該技術(shù)有望進一步優(yōu)化，以實現(xiàn)更復雜的組織模擬和更高效的藥物評估，為糖尿病的個性化治療提供新的工具和方法。