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.2014年9月；239（9）：1264-71。
doi:10.1177/1535370214539228。 Epub 2014年7月16日。

用于人体血管建模的组织工程微环境系统

安娜·托洛夫斯卡娅 1, 马克·福弗 1, 格雷戈里·克莱默 1, 萨拉·西蒙森 1, 托马斯·诺伊曼 2
附属公司

用于人体血管建模的组织工程微环境系统

安娜·托洛夫斯卡娅等。 Exp Biol Med（梅伍德）. 2014年9月.

摘要

开发过程后期候选药物的高消耗率导致对测试分析的需求不断增加，测试分析比传统2D细胞培养系统和动物模型更好地预测临床结果。政府机构、军队和制药行业已经开始开发新的体外系统，该系统能够概括人体组织和器官的功能单位。越来越多的证据表明，3D细胞排列、不同细胞类型的共培养以及物理化学线索都能提高预测能力。所有组织微环境的关键要素是血管系统。除了输送血液外，微血管还具有重要的器官特异性功能。它也参与病理状态，如炎症、肿瘤生长、转移和退行性疾病。为了提供一种建模人类组织微环境这一重要特征的工具，我们开发了一种微流控芯片，用于创建由管状细胞结构组成的组织工程微环境系统（TEMS）。我们的芯片设计包括一个小腔室，其中充满了围绕一个或多个管状通道的细胞外基质（ECM）。植入通道中的内皮细胞（EC）粘附在ECM壁上，并生长为可灌注的管状组织结构，与芯片中的上游和下游流体通道流体连接。利用这些芯片，我们建立了血管生成、血脑屏障（BBB）和肿瘤细胞外渗的模型。我们的血管生成模型重述了真正的血管生成，即在生长因子梯度的作用下，“母”血管发生萌芽。我们的BBB模型由脑特异性内皮细胞生成的微血管组成，内皮细胞内充满星形胶质细胞和周细胞。我们的肿瘤细胞外渗模型可用于可视化和测量肿瘤细胞通过血管壁向周围基质的迁移。所述技术可用于创建TEMS，以重现体外血管化人体组织微环境的结构、功能和物理化学元素。

关键词：微流体装置；body-on-chip；微环境；微生理系统；微血管；组织芯片；组织工程。

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数字

图1
图1。TEMS芯片中的三维血管生成
A） 微流体装置的照片，清晰的圆圈表示细胞注射隔膜；B） 胶原凝胶与周细胞（黄星）混合形成两个平行管：一个管（蓝色）内填充有HUVEC，促血管生成混合物（VEGF/B-FGF/PMA）流过第二个管（红色），在胶原中形成一个间隙梯度（上图，示意图；下图，亮场显微照片）；C） 生长因子梯度诱导从母血管向梯度方向发芽（上面板，示意图；下面板，显微照片）。比例尺为125μm。
图2
图2。血管生成模型概括了体内过程
在与周细胞混合的胶原中产生母体HUVEC血管，并暴露于生长因子梯度下11天。A-C）共免疫荧光显示周细胞（NG2，绿色）被招募到母血管和相关芽（CD31，红色；DAPI，蓝色）；D） 母血管的发芽取决于生长因子梯度的存在：生长因子梯度存在和不存在时的发芽长度图，误差条为平均值±1标准偏差（N=9条血管，含VEGF；N=3条血管，无VEGF对照）。第1天、第5天和第7天，未配对学生t检验，VEGF和无VEGF条件的95%置信区间：t（8）=4.4，p=0.0022，t（5）=7.8，p=0.005，t（6）=7.5，p=0.0003。E） 基底膜蛋白沿着母体HUVEC血管沉积，并与周细胞共同培养生长相关芽。无洗涤剂免疫荧光染色。比例尺为250μm。
图3
图3。BBB模型中的细胞旁通透性
A） 的示意图体内人类BBB*；B） BBB特征概述：血管壁由内皮细胞形成，周细胞和星形胶质细胞位于附近（斜照明图像）；C） CD31免疫染色显示细胞连接位置正确，细胞覆盖完整；D） 永生化脑微血管细胞（hCMEC/D3）被周细胞（红色）和星形胶质细胞（绿色）包裹的ECM包围，形成微血管；E） 培养5天内，星形胶质细胞和周细胞自组织与脑微血管相结合，未观察到内皮细胞从血管壁上收缩。（C-E）中的比例尺为125μm；F） 用荧光标记的BSA灌注脑微血管和空通道（对照组），每30秒拍摄一次图像，持续10分钟；G） 不同分子量分子微血管附近区域的归一化荧光强度（FI）与时间的关系图；H） Oregon Green（OG，n=22个血管，n=3个对照管）、Alexa Fluor dextrans 3 KDa（n=13个血管，n=3个控制管）和10 KDa（n=18个血管，n=3个管制管）以及BSA-Alexa Fuor 594（BSA，n=28个血管、n=3条对照管）的渗透系数。未配对Student t检验，95%置信区间，用于血管和对照物对所有四种示踪剂的通透性：OG、3KDa和10KDa右旋糖酐以及BSA分别为t（23）=9.3、p<0.0001、t（14）=7.6、p<0.0001、t。误差条为平均值±1标准偏差，比例尺为250μm*修改自：Abbot等人，《自然评论神经科学》（7），2006，42-53。
图4
图4。癌细胞通过微血管壁迁移
A） 将PC3前列腺癌细胞导入HUVEC微血管芽后的倾斜照明图像；注意标有箭头的球形单元格。细胞注射前，用活细胞追踪染料对PC3和内皮细胞进行染色；B） 20小时后，PC3细胞（橙黄色）通过内皮细胞（绿色）血管壁迁移到周围基质中；C） 当注射到空的胶原通道中时，PC3细胞不迁移，倾斜照射；D） BT-474乳腺癌细胞（橙黄色）在引入HUVEC（绿色）芽24小时后未观察到迁移；E） HUVEC芽中PC3和BT-474细胞通过微血管壁外渗的百分比图，或迁移到周围基质的空通道（对照）中PC3细胞的百分比图。数据绘制为平均值±1标准偏差。（对照组：n=4个通道（通道中3540个总细胞）；PC3:n=5条血管（芽中167个细胞）；BT-474:n＝2个容器）。比例尺为125μm。
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