芯片上的皮肤：在微流控芯片上模拟受支配的表皮样层

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编者注

用于感觉神经元-角质形成细胞共培养的微流控平台和培养系统。（a）人体皮肤解剖结构示意图和设计（左）以及用于共培养感觉神经元和角质形成细胞的神经支配表皮芯片（右）。神经支配表皮芯片隔室示意图（右下）。HEK；人角质形成细胞，SN；感觉神经元，COL 3；3 mg/ml 浓度的 I 型胶原蛋白，COL 1.5 L；1.5 mg/mL 的 I 型胶原蛋白和 10% 层粘连蛋白，尺度单位；μm。（b）微流控芯片的顶视图（左）和基于斜率的气液界面 (ALI) 方法用于表皮发育的实验概念（右，纵向垂直剖面图）。每个细胞通道都用不同颜色的染料标记。（c）神经支配表皮芯片的细胞类型特异性检测。（d）用于生成神经支配表皮芯片的细胞接种和培养的实验工作流程。信用：*自然通讯*（2023）。 DOI：10.1038/s41467-023-37187-4

生物工程师和组织工程师打算重建具有生理相关细胞和基质结构的皮肤等效物，用于基础研究和工业应用。皮肤病理生理学依赖于皮肤神经串扰，因此研究人员必须在实验室中开发可靠的皮肤模型，以评估皮肤神经之间的选择性通信表皮角质形成细胞和感觉神经元。

在一份新报告中，自然通讯、Jinchul Ahn 和一个研究团队韩国生物融合工程、治疗学和生物技术研究所展示了一种三维、受神经支配的表皮角质形成细胞层建立感觉神经元-表皮角质形成细胞共培养模型。保持组织良好的基底-基底上分层和增强的屏障功能，以实现生理相关的解剖学表现，从而展示实验室成像的可行性，同时进行功能分析以改进现有的共培养模型。该平台非常适合生物医学和制药研究。

皮肤：人体最大的感觉器官

皮肤由复杂的感觉神经纤维网络组成，形成一个高度敏感的器官，具有机械感受器，热感受器和伤害感受器. 这些神经元亚型位于背根神经节并密集而明显地支配着皮肤层皮肤中的感觉神经纤维也会表达和释放神经介质，包括神经肽，向皮肤发出信号。神经对感觉和其他生物皮肤功能的生物学意义与多种皮肤疾病形成了物理和病理相关性，使这些仪器适合在体内模型中模拟皮肤神经相互作用。

为了重现微生理结构，Ahn 及其同事使用微流体模型进行共培养，并分析角质形成细胞和在实验室中。他们应用了斜面空气液体界面来提供空气接触，从而成功区分用于角质形成细胞发育，并使用多通道水凝胶系统模拟细胞/亚细胞排列和细胞-细胞-基质相互作用，以形成生理相关的表皮表面。研究人员模拟了表皮角质形成细胞感觉神经元串扰在微流控芯片和诱导条件下高血糖模拟急性糖尿病来研究人体皮肤病理状况的潜在机制。

优化 3D 细胞外基质 (ECM) 水凝胶以实现微流控芯片中感觉神经元的轴突模式化。（a）每种 ECM 条件下微通道中感觉神经元细长神经纤维的代表性荧光图像。NF-M；神经丝 M，绿色，DAPI；细胞核，蓝色。COL 2；2 mg/ml 浓度的胶原蛋白 I，COL 2 L；2 mg/mL 胶原蛋白 I 和 10% 层粘连蛋白，COL 1.5 L；1.5 mg/mL 胶原蛋白 I 和 10% 层粘连蛋白。2D；传统单层培养方法。比例尺；100 μm。（b-g）根据芯片的 ECM 条件定量分析轴突变化。培养后每个时间点的感觉神经元的最大值（b、d）和总神经突长度（c、e）（n = 5-8 个 ROI，每个 ROI 中至少测量 10 个神经突，最大神经突长度 COL1.5 L(d4) vs COL2L(d4) **p = 0.0014，最大神经突长度 COL1.5 L(d6) vs COL2L(d6) p = 0.1211，总神经突长度 COL1.5 L(d4) vs COL2L(d4) *p = 0.0126，总神经突长度 COL1.5 L(d6) vs COL2L(d6) ***p = 0.0006，2 次独立重复）。培养 6 天后感觉神经元的神经突宽度 (f) 箱线图（n = 19 ROIs，2D vs COL2、COL2L、COL1.5 L ****p < 0.0001，COL2 vs COL2L **p = 0.0041，COL2 vs COL1.5 L *p = 0.0119，2 个独立重复）。培养 2 天和 6 天后感觉神经元的神经突角度 (g) 箱线图（n = 36–40 ROIs，2 个独立重复）。单因素方差分析，Bonferroni 多重比较检验。数据为平均值 ± SD，*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001。箱线图显示中位数和第 75 和第 25 百分位数，晶须显示最小值和最大值。来源：*自然通讯*（2023）。 DOI：10.1038/s41467-023-37187-4

用于角质形成细胞-感觉神经元共培养的皮肤芯片

Ahn 及其团队通过设计和制造水凝胶微流控芯片来模拟表皮解剖结构。该结构包含四个细胞培养室和神经元分析单元，以及一个角质形成细胞表皮通道。它们有助于实现微生理学上准确的轴突角质形成细胞通过将角质形成细胞加载到在细胞外基质水凝胶上生长的表皮通道中来促进相互作用，以促进与轴突的相互作用，同时阻止与神经元胞体。细胞区室化使他们能够在单个设备上培养两个独立的细胞，以保持细胞身份和功能。该团队用生理相关的细胞外基质水凝胶填充每个轴突引导微通道无成纤维细胞以促进微芯片中的各种成像和生化功能分析。

斜率-ALI 微流控芯片上的高级表皮发育。（a）在微流控芯片上使用传统平面液体（平面液体）或基于斜率的 ALI（斜率-ALI）方法培养人角质形成细胞 1 天和 4 天后表皮层的代表性明场图像（3 次独立重复）。比例尺：100 μm。（b）在微流控芯片上培养 5 天后用 F-ACTIN（红色）染色的发育表皮层的免疫荧光图像。DAPI（蓝色）。比例尺：100 μm。（c）表皮厚度的量化（n = 12 ROI，每个设备 3 个 ROI *p = 0.0105，2 次独立重复）。（d）平面液体或斜面 ALI 培养表皮层中角蛋白 14 (K14，红色)、角蛋白 10 (K10，绿色) 和 loricrin (绿色) 的代表性免疫荧光图像。DAPI (蓝色)。比例尺；50 μm。 (e, f) 在微流控芯片上使用平面液体或斜率ALI 培养的表皮层中，荧光强度 (n = 4–7 个设备，平面液体 vs 斜率ALI *p = 0.0229（K14），**p = 0.0012（K10），**p = 0.0032（loricrin），2 个独立重复) (e) 和 RNA 水平 (n = 5 个设备，平面液体 vs 斜率ALI *p = 0.0391（K14），*p = 0.0494（K10），**p = 0.0038（loricrin），2 个独立重复) (f) 的量化。 (g) 角质形成细胞层的 K14/K10 层发育的 3D 共聚焦图像（3 个独立重复）。比例尺；50 μm。（h–j）平面液体和斜面 ALI 培养表皮层的渗透性。芯片中 ECM 水凝胶和表皮角质形成细胞层之间白色虚线界面区域 3.984 kDa FITC-葡聚糖的分布图像（h）、延时强度图（j）及其归一化荧光强度（i，120 分钟）（n = 3 个设备，**p = 0.0041，2 个独立重复）。比例尺；200 μm。k ERK 磷酸化的免疫印迹。ERK1/2；抗总 ERK1/2，pERK；抗磷酸化 ERK1/2。 l 每次培养 24 小时后，对表皮角质形成细胞中的 ki67 和 MMP1 表达进行 qPCR 分析（n = 5 个装置，Ki67 ****p < 0.0001，MMP1 *p = 0.0181，2 个独立重复）。数据为平均值 ± SD，*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001。双尾 t 检验。来源：*自然通讯*（2023）。 DOI：10.1038/s41467-023-37187-4

多组分微流控芯片中的轴突模式微调

研究人员通过优化细胞外基质成分（包括背根神经节、感觉神经元和角质形成细胞）的组成和浓度，将神经纤维从体细胞通道穿过水凝胶进入角质形成细胞层。该团队使用三种水凝胶条件组合在芯片上培养感觉神经元，其中包括I型胶原蛋白有还是没有层粘连蛋白研究团队从大鼠体内分离出原代细胞，将其装载到胞体通道中，培养1周。微流控芯片中的轴突穿过细胞外基质通道，到达表皮通道，形成仅有轴突的网络层。轴突穿过材料排列，形成轴突/表皮区室——由此产生的3D微通道允许束状结构发育，形成致密的轴突网络。

气液界面处的表皮发育

引用: 芯片上的皮肤：在微流控芯片上建模受神经支配的表皮样层 (2023 年 3 月 28 日) 于 2024 年 6 月 5 日检索自 https://webbedxp.com/zh-CN/science/jamaal/news/2023-03-skin-on-a-chip-innervated-epidermal-like-layer-microfluidic.html

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皮肤：人体最大的感觉器官

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