CN105420106A - 仿生肾小球芯片以及由其组成的芯片组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种仿生肾小球芯片，其特征在于：所述的芯片包括多孔聚碳酸酯膜层，在多孔聚碳酸酯膜层的两面分别固定有芯片上层和芯片下层，所述的芯片上层和芯片下层均由聚二甲基硅氧烷制成，在芯片上层上通透地开设有上入口池、矩形的上细胞培养室和上出口池，在上入口池与上细胞培养室之间连通有第一通道，上出口池与上细胞培养室之间连通有第二通道，且第一通道与上细胞培养室的宽度均为H，第二通道的宽度为h，H：h=10:3，在芯片下层上通透地开设有下入口池、矩形的下细胞培养室和下出口池，在下入口池与下细胞培养室之间连通有第三通道，下出口池与下细胞培养室之间连通有第四通道，且下细胞培养室、第三通道和第四通道的宽度均为H。

Description

仿生肾小球芯片以及由其组成的芯片组
技术领域
本发明涉及一种细胞培养领域用芯片，特别是一种仿生肾小球芯片以及由其组成的芯片组。
背景技术
为了研究肾脏细胞、特别是肾小球细胞的有关研究时，传统上一般会取小鼠的不同种类的肾小球细胞，如肾小球内皮细胞（MGEC细胞），足细胞（MPC-5细胞）等，并将其分别在培养皿中进行培养，而这种传统的方法存在操作繁琐、培养效率低等问题。尤其在针对血流动力学变化影响肾小球滤过功能的研究方面，现有的研究均是采用单一力学因素分别作用于肾小球内皮细胞或足细胞，不仅割裂了肾小球滤过屏障(glomerularfiltratingbarrier,GFB）的完整性，也忽视了细胞-细胞之间存在着的广泛交互作用。同时现有的研究方式难以真实的反应体内病理变化。主要表现在：①由于技术平台的局限性，上述研究把内皮细胞和足细胞分割开来独立研究，未能将足细胞和内皮细胞置于同一体系下再现研究。②采用二维细胞贴壁静态培养模式，和体内肾小球内皮细胞接触微流动的血液及滤过液；足细胞接触微流动的滤过液相差甚远。③为细胞静态供应营养物质：静态间断供应营养液不能保证细胞持续与新鲜体液接触，和体内不相符合。④多采用定轨震荡摇床或来单独研究足细胞或内皮细胞的牵伸力；应用平板流动小室来研究剪切力，流体剪切力范围窄不易精确控制。⑤重要的是，把剪切力和牵伸力分割开来独立研究，而体内足细胞和内皮细胞所受的的流体力学是综合力学的总和，综合力学对细胞学行为的影响和单一力学影响也有很大差别。而体内试验要采用动物模型或临床标本，无法实时控制和监测小球内血液流速、肾小球内压力，由于神经内分泌的调控，无法研究血液动力学单一因素对GFB的影响。同时体内实验耗时长，临床标本的伦理问题使得患者的入选及干预都面临很多局限性。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出一种利用模拟肾小球体内微环境的方式构建的高通量、流体可控的芯片，以及由该芯片所组成的芯片组平台。
本发明的技术解决方案是：一种仿生肾小球芯片，其特征在于：所述的芯片包括多孔聚碳酸酯膜层1，在多孔聚碳酸酯膜层1的两面分别固定有芯片上层2和芯片下层3，所述的芯片上层2和芯片下层3均由聚二甲基硅氧烷制成，在芯片上层2上通透地开设有上入口池4、矩形的上细胞培养室5和上出口池6，在上入口池4与上细胞培养室5之间连通有第一通道7，上出口池6与上细胞培养室5之间连通有第二通道8，且第一通道7与上细胞培养室5的宽度均为H，第二通道8的宽度为h，H：h=10:3，在芯片下层3上通透地开设有下入口池9、矩形的下细胞培养室10和下出口池11，在下入口池9与下细胞培养室10之间连通有第三通道12，下出口池11与下细胞培养室10之间连通有第四通道13，且下细胞培养室10、第三通道12和第四通道13的宽度均为H。
所述的H的取值范围是800-1200μm，所述的h的取值范围是200-400μm，所述的第一通道7、上细胞培养室5、第二通道8、第三通道12、下细胞培养室10和第四通道13的高度均为D，D的取值范围是80-120μm。
所述的上入口池4、第一通道7、上细胞培养室5、第二通道8与上出口池6共同形成轮廓a，所述的下入口池9、第三通道12、下细胞培养室10、第四通道13与下出口池11共同形成轮廓b，轮廓a与轮廓b共同在多孔聚碳酸酯膜层1上的投影形成图案c，图案c由两个上下颠倒的丫字型结构组成，并且这两个丫字型结构的竖直部分d相互重合。
一种由如上所述的仿生肾小球芯片组成的芯片组，其特征在于：所述的芯片组14由四个处于同一平面的仿生肾小球芯片相互拼接而成，且相邻的仿生肾小球芯片上的图案c中，有两个顶点e相互重合。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
本种结构形式的仿生肾小球芯片，以及由该种仿生肾小球芯片组成的芯片组，能够较好地模拟肾小球的体内微环境，以在此平台上考察GFB上内皮细胞和足细胞的生物学特性，再现肾小球的结构与功能。它可以进行小鼠肾小球内皮细胞系（MGEC细胞）与小鼠足细胞（MPC-5细胞）共培养。在静态培养条件下，与传统培养皿中细胞培养相比，MGEC细胞与MPC-5细胞生长状态良好，形态未见明显改变，未见明显细胞凋亡，CD-31和synaptopodin蛋白表达无明显差异；芯片上重现了体内GFB的基本组成和结构，完整GFB的功能明显优于MGEC细胞或MPC-5细胞单一培养时（P<0.05）。本种芯片具有高通量、多参数、流体可控等多种优点，模拟构建了具备肾小球基本结构和功能的体外模型，为深入揭析病理条件下血流动力学因素对肾小球滤过功能的影响及相关分子机制奠定了基础。
附图说明
图1为本发明实施例的断面层状结构的示意图。
图2为本发明实施例芯片上层的俯视图。
图3为本发明实施例多孔聚碳酸酯膜层的俯视图。
图4为本发明实施例芯片下层的俯视图。
图5为本发明实施例中轮廓a与轮廓b共同在多孔聚碳酸酯膜层上投影所形成的图案c的示意图。
图6为本发明实施例的芯片组的俯视图。
具体实施方式
下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1至图6所示：一种仿生肾小球芯片，它包括多孔聚碳酸酯膜层1，在多孔聚碳酸酯膜层1的两面分别固定有芯片上层2和芯片下层3，即所述的多孔聚碳酸酯膜层1夹设在芯片上层2和芯片下层3之间，并且所述的芯片上层2和芯片下层3均由聚二甲基硅氧烷制成；
在所述的芯片上层2上，通透地开设有上入口池4和上出口池6，在二者之间则开设有矩形的上细胞培养室5，并且在上入口池4与上细胞培养室5之间连通有第一通道7，在上出口池6与上细胞培养室5之间连通有第二通道8，且第一通道7与上细胞培养室5的宽度均为H，第二通道8的宽度为h，且H：h=10:3；同样地，在芯片下层3上通透地开设有下入口池9和下出口池11，在二者之间则开设有矩形的下细胞培养室10，在下入口池9与下细胞培养室10之间连通有第三通道12，在下出口池11与下细胞培养室10之间连通有第四通道13，并且所述的下细胞培养室10、第三通道12和第四通道13的宽度均为H；上述的H的取值范围是800-1200μm，其优选值为1000μm，h的取值范围是200-400μm，其优选值为300μm，同时所述的第一通道7、上细胞培养室5、第二通道8、第三通道12、下细胞培养室10和第四通道13的高度均为D，D的取值范围是80-120μm，其优选值为100μm；
上述的上入口池4、第一通道7、上细胞培养室5、第二通道8与上出口池6共同形成轮廓a，上述的下入口池9、第三通道12、下细胞培养室10、第四通道13与下出口池11共同形成轮廓b，轮廓a与轮廓b共同在多孔聚碳酸酯膜层1上的投影形成图案c，图案c由两个上下颠倒的丫字型结构组成，并且这两个丫字型结构的竖直部分d相互重合；
在实际使用时，可以利用如上所述的多个仿生肾小球芯片相互拼接，组成芯片组14，芯片组14可以由四个处于同一平面的仿生肾小球芯片相互拼接组成，且相邻的仿生肾小球芯片上的图案c中，有两个顶点e相互重合（如图6所示）。
本发明实施例的仿生肾小球芯片，以及利用这种仿生肾小球芯片组成的芯片组的工作过程如下：芯片上层2上的第一通道7、上细胞培养室5和第二通道8共同模拟肾小球毛细血管，其中第一通道7模拟入球小动脉，上细胞培养室5模拟毛细血管袢，第二通道8模拟出球小动脉；芯片下层2上的第三通道12、下细胞培养室10和第四通道13共同模拟肾小囊；
首先让芯片上层2朝上，通过入口池4注入MGEC细胞悬液，液体在流动的过程中将MGEC细胞输送到上细胞培养室5处，液体穿过多孔聚碳酸酯膜层1后排出，MGEC细胞留在上细胞培养室5内，并在多孔聚碳酸酯膜层1上生长；待MGEC细胞贴壁后，然后将芯片（或芯片组14）翻转，让芯片下层3朝上，通过其上的下入口池9中注入MPC-5细胞悬液，由于第三通道12和第四通道13的宽度一致，因此下入口池9与下出口池11不需要限定注入顺序，所以操作过程中操作人员可随意选择下入口池9或下出口池11为注入端，则另一端则为吸出端，液体穿过多孔聚碳酸酯膜层1后排出，MPC-5细胞留在下细胞培养室10内，并在过多孔聚碳酸酯膜层1上生长；待MPC-5细胞贴壁后，再将芯片上层2朝上，在入口池4处连接兰格注射泵，利用兰格注射泵精确控制液体流量，使其流体模式模拟体内肾小球滤过的血流动力微环境；上述工作完成后，就构建出一个符合人体内肾小球解剖结构的模型。
在芯片组14中，由于相邻的图案c中有两个顶点e相互重合，即相邻的图案c有共用注入端，因此可以利用兰格注射泵向共用注入端进行细胞悬液的注射，以提高工作效率。
在实际工作时，一块芯片板上可以阵列式的设置多个本发明所述的芯片组14。

Claims (4)

1.一种仿生肾小球芯片，其特征在于：所述的芯片包括多孔聚碳酸酯膜层（1），在多孔聚碳酸酯膜层（1）的两面分别固定有芯片上层（2）和芯片下层（3），所述的芯片上层（2）和芯片下层（3）均由聚二甲基硅氧烷制成，在芯片上层（2）上通透地开设有上入口池（4）、矩形的上细胞培养室（5）和上出口池（6），在上入口池（4）与上细胞培养室（5）之间连通有第一通道（7），上出口池（6）与上细胞培养室（5）之间连通有第二通道（8），且第一通道（7）与上细胞培养室（5）的宽度均为H，第二通道（8）的宽度为h，H：h=10:3，在芯片下层（3）上通透地开设有下入口池（9）、矩形的下细胞培养室（10）和下出口池（11），在下入口池（9）与下细胞培养室（10）之间连通有第三通道（12），下出口池（11）与下细胞培养室（10）之间连通有第四通道（13），且下细胞培养室（10）、第三通道（12）和第四通道（13）的宽度均为H。
2.根据权利要求1所述的仿生肾小球芯片，其特征在于：所述的H的取值范围是800-1200μm，所述的h的取值范围是200-400μm，所述的第一通道（7）、上细胞培养室（5）、第二通道（8）、第三通道（12）、下细胞培养室（10）和第四通道（13）的高度均为D，D的取值范围是80-120μm。
3.根据权利要求1所述的仿生肾小球芯片，其特征在于：所述的上入口池（4）、第一通道（7）、上细胞培养室（5）、第二通道（8）与上出口池（6）共同形成轮廓a，所述的下入口池（9）、第三通道（12）、下细胞培养室（10）、第四通道（13）与下出口池（11）共同形成轮廓b，轮廓a与轮廓b共同在多孔聚碳酸酯膜层（1）上的投影形成图案c，图案c由两个上下颠倒的丫字型结构组成，并且这两个丫字型结构的竖直部分d相互重合。
4.一种由如权利要求3所述的仿生肾小球芯片组成的芯片组，其特征在于：所述的芯片组（14）由四个处于同一平面的仿生肾小球芯片相互拼接而成，且相邻的仿生肾小球芯片上的图案c中，有两个顶点e相互重合。
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