CN108117989B - 一种基于器官芯片技术的纳米颗粒肺损伤评价方法 - Google Patents

一种基于器官芯片技术的纳米颗粒肺损伤评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于器官芯片技术的纳米颗粒肺损伤评价方法，该芯片主要由上下两层PDMS粘合封接而成，由基质入口池，两个细胞入口池，废液池，细胞培养室，基质室组成；该芯片上分别侧立接种血管内皮细胞和肺泡上皮细胞，培养一定时间后形成肺气血屏障。在肺泡上皮细胞培养室中加入纳米颗粒，在血管内皮细胞培养室中灌流加入单核细胞，模拟体内循环血液中的单核细胞，建立体外纳米颗粒肺损伤评价模型。基于该芯片的纳米颗粒肺损伤评价模型不仅可以模拟纳米颗粒对肺气血屏障的损伤，对屏障完整性破坏进行实时监测，还能够实现同时观察气血屏障两种细胞的响应，并对单核细胞的运动实现实时追踪。

Description

一种基于器官芯片技术的纳米颗粒肺损伤评价方法
技术领域
本发明涉及将器官芯片技术应用到纳米颗粒肺损伤体外评价的技术领域，具体涉及一种基于器官芯片技术的纳米颗粒肺损伤评价方法。
背景技术
随着经济发展和城市化进程的加快，以大气颗粒物和臭氧为特征的区域性大气污染已成为现阶段影响我国居民健康最重要的环境因素。大气颗粒物是大气中存在的各种固态和液态粒状物质的总称，其对人体健康的危害与其粒径有关，粒径越小危害越大。肺脏是呼吸系统的主要器官，作为直接与大气环境接触的部位，肺气血屏障是肺脏抵御细颗粒物污染的第一道防线。大气细颗粒物沉积于肺泡内有可能通过多条信号传导途径造成肺内失控性炎症反应，导致肺泡上皮、肺血管内皮损伤和修复障碍，肺气血屏障功能破坏，引起炎症、纤维化、细胞增殖紊乱甚至癌变。而肺泡上皮细胞与毛细血管内血流中的单核细胞等免疫细胞一同构成了肺的局部防御体系，保护肺脏免受外来物质的侵害。目前，往往以纳米颗粒模拟大气细颗粒物的毒性效应，研究其对于肺组织的损伤作用。
现阶段，纳米颗粒肺损伤与毒理学评价方法主要有两种，动物气管滴注法和细胞孔板法。尽管气管滴注法可在一定程度上反映体内的生理情况，但动物实验结果往往不能真实反映大气细颗粒物对人体的实际毒性作用，更难以获得关键毒性成分对肺气血屏障损伤的动态生物学信息，且实验操作繁琐，费时费力。细胞平板法是以静态二维细胞培养为基础，但这种方式与体内细胞所处的三维微环境完全不同，也难以反映体内肺气血屏障所包含的气液界面、多细胞空间排列、血液流动等复杂的三维组织结构与生物力学微环境。
器官芯片技术作为一门迅速发展起来的科学技术，已经在生物医学领域展现了其独特的优势，更因其同细胞尺寸匹配、环境同生理环境相近、在时间和空间维度上能够提供更为精确的操控，易于通过灵活设计实现多种细胞功能研究等特点而成为新一代细胞研究的重要平台。因其高通量，低消耗，以及对流体的精准操控，更易于构建接近于体内真实环境的肺气血屏障细胞组成和结构层次。而将其应用于纳米颗粒肺损伤毒性评价，以反映纳米颗粒肺损伤复杂的多细胞共同参与效应以及免疫系统在其中的作用，尚属于肺损伤研究的空白领域。
发明内容
本发明的目的提供一种基于器官芯片的纳米颗粒肺损伤评价方法，基于该器官芯片的纳米颗粒毒性损伤评价模型不仅可以建立肺气血屏障，对屏障的完整性和通透性进行定时监测，还可实现对纳米颗粒作用下不同组成细胞生物行为及形态变化、屏障完整性和通透性变化进行追踪观察。
本发明提供的器官芯片，该器官芯片由上下两层PDMS粘合封接而成，包括血管内皮细胞入口池，细胞外基质入口池，肺泡上皮细胞入口池，废液池，血管内皮细胞培养室，肺泡上皮细胞培养室，基质室；
基质室两端为细胞外基质入口池，中间部分为“丰”字形，中间的横向结构为对称排列着7～10个栅栏结构，基质室通过两边的栅栏结构与血管内皮细胞培养室和肺泡上皮细胞培养室连接；
血管内皮细胞培养室上连血管内皮细胞入口池，下连废液池；肺泡上皮细胞培养室上连肺泡上皮细胞入口池，下连废液池；
本发明提供的微流控芯片，所述微流控芯片是由高度不同的两部分组成，血管内皮细胞培养室和肺泡上皮细胞培养室高度为200-1000μm，基质入口池和基质室高度为100-300μm。
本发明还提供了一种基于器官芯片的纳米颗粒肺损伤评价方法，具体过程如下：
(1)芯片基质灌注
采用matrigel工作液，用移液器将其加入基质入口池，每孔0.5-100μl；加PBS缓冲液于培养皿中，将固定芯片的培养皿放入培养箱中孵育30min凝胶，促使matrigel由粘稠状液体变为果冻状凝胶，凝胶过程结束后，从血管内皮细胞入口池和肺泡上皮细胞入口池分别加入两种细胞的新鲜培养液；
(2)芯片细胞接种及培养
血管内皮细胞制成悬液，取5-100μl悬液加入血管内皮细胞入口池，并迅速从废液池吸走5-100μl细胞培养液，促使细胞在重力流的作用下快速、均匀地进入细胞培养室。当在光学显微镜下观察到已经有部分细胞流入废液池，而细胞培养室中的细胞也均匀分布时，立即将芯片竖立，并移入37℃培养箱中放置；竖立方向为血管内皮细胞培养室朝上，而肺上皮细胞培养室朝下；竖立放置1-12h后，取出观察，细胞紧贴在细胞培养室与基质室的交汇处形成薄层细胞层。采用同样的方法在肺上皮细胞培养室中接种肺上皮细胞并竖立5-60min，将芯片放平移入37℃培养箱中培养、每隔24h换液一次，并拍照记录两种细胞层所在位置；
(3)芯片肺气血屏障功能监测
采用肺泡上皮细胞钙粘蛋白E-cadherin和血管内皮细胞VE-cadherin检测芯片肺气血屏障的完整性，采用FITC标记的右旋糖苷(FITC-Dextran)监测芯片肺气血屏障的通透性。
(4)加入纳米颗粒
待肺泡上皮细胞和血管内皮细胞在芯片上共培养一定时间后，在肺泡上皮细胞培养室中加入不同大小、性质和材料的纳米颗粒。
(5)加入单核细胞
在血管内皮细胞培养室中以10-1000μl/h的流速进行灌流，以模拟血流环境，并提供营养物质与代谢废物交换。灌流用的培养基中加入悬浮培养的单核细胞，以模拟纳米颗粒肺损伤过程中血液中免疫细胞的参与。置于37℃培养箱中培养，每隔24h并拍照记录单核细胞所在位置及其迁移如基质室中的位置，实时记录细胞运动位置及形态改变。
(6)芯片细胞损伤、屏障功能破坏和细胞迁移实时监测
采用活细胞工作站CO2显微载物台培养箱进行细胞长期观察，每隔60min拍照一张，实时记录细胞损伤、屏障功能破坏和细胞位置的改变。
本发明建立的纳米颗粒肺损伤评价方法，肺气血屏障由肺泡上皮细胞和血管内皮细胞构成，在肺泡上皮细胞培养室中加入不同大小、性质和材料的纳米颗粒，在血管内皮细胞培养室中加入悬浮培养的单核细胞，共同构成纳米颗粒肺损伤病理微环境。
本发明提供的纳米颗粒肺损伤评价方法能够更好地模拟出纳米颗粒作用下肺气血屏障的损伤和免疫细胞的移动。
本发明提供了一种能够直接观察纳米颗粒作用下肺损伤的实时改变，包括细胞凋亡、屏障功能破坏以及单核细胞的迁移，以及该过程中一系列蛋白表达，细胞形态变化。
本发明提供的基于器官芯片技术的纳米颗粒肺损伤评价方法，所述基质成分为Matrigel，4℃以下时下它是呈粘稠状的液体，当pH＝7，温度达到常温的情况下，5min，即可呈现果冻状的凝胶。
本发明提供的基于器官芯片技术的纳米颗粒肺损伤评价方法，可采用生物学上常用的细胞检测手段对肺气血屏障的组成细胞以及迁移运动到基质中的单核细胞进行检测，包括细胞死活标记染色、细胞免疫荧光染色、PCR检测、蛋白质检测。
本发明利用器官芯片技术，以具有良好生物相容性，透光性的PDMS为芯片材料，设计的装置可横向直接记录和观察纳米颗粒作用下肺气血屏障组成细胞损伤和单核细胞迁移行为的芯片，功能完备，操作简单，并且在芯片上可以独立完成各项信号检测，如细胞蛋白表达，细胞因子分泌，细胞增殖，凋亡检测等。
附图说明
图1本发明器官芯片整体结构示意图，a为上层PDMS整体结构示意图，b为整体微流控芯片示意图；
其中，1血管内皮细胞入口池，2细胞外基质入口池，3肺泡上皮细胞入口池，4废液池，5血管内皮细胞培养室，6肺泡上皮细胞培养室，7基质室，8芯片栅栏结构，9芯片上层PDMS整体结构，10芯片下层结构。
图2纳米颗粒作用下肺泡上皮细胞和内皮细胞的形态变化；
图3纳米颗粒作用下肺泡上皮细胞和内皮细胞的凋亡。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1
利用实验室自行设计并制作的微流控芯片，构型见图1。该微流控芯片由芯片上层PDMS整体结构9和芯片下层结构10两层PDMS粘合封接而成，包括血管内皮细胞入口池1，细胞外基质入口池2，肺泡上皮细胞入口池3，废液池4，血管内皮细胞培养室5，肺泡上皮细胞培养室6，基质室7；
基质室7两端为细胞外基质入口池，中间部分为“丰”字形，中间的横向结构为对称排列着7～10个栅栏结构8，基质室通过两边的栅栏结构与血管内皮细胞培养室5和肺泡上皮细胞培养室6连接；
血管内皮细胞培养室5上连血管内皮细胞入口池1，下连废液池4；肺泡上皮细胞培养室6上连肺泡上皮细胞入口池3，下连废液池4；
本发明提供的微流控芯片，所述微流控芯片是由高度不同的两部分组成，血管内皮细胞培养室和肺泡上皮细胞培养室高度为200-1000μm，基质入口池和基质室高度为100-300μm。
实施例2
一种基于器官芯片技术的纳米颗粒肺损伤评价方法。具体过程如下：
配制matrigel工作液，用移液器将其加入基质入口池，每孔1μl；加1ml PBS缓冲液于培养皿中，将固定芯片的培养皿放入培养箱中孵育30min凝胶，促使matrigel由粘稠状液体变为果冻状凝胶，凝胶过程结束后，从血管内皮细胞入口池和肺泡上皮细胞入口池分别加入两种细胞的新鲜培养液；将血管内皮细胞制成悬液，取10μl悬液加入血管内皮细胞入口池，并迅速从废液池吸走10μl细胞培养液，促使细胞在重力流的作用下快速、均匀地进入细胞培养室。当在光学显微镜下观察到已经有部分细胞流入废液池，而细胞培养室中的细胞也均匀分布时，立即将芯片竖立，并移入37℃培养箱中放置；竖立方向为血管内皮细胞培养室朝上，而肺上皮细胞培养室朝下；竖立放置4h后，取出观察，细胞紧贴在细胞培养室与基质室的交汇处形成薄层细胞层。采用同样的方法在肺上皮细胞培养室中接种肺上皮细胞并竖立35min，将芯片放平移入37℃培养箱中培养、每隔24h换液一次。待肺泡上皮细胞和血管内皮细胞在芯片上共培养48h后，在肺泡上皮细胞培养室中加入直径为25纳米的二氧化钛纳米颗粒。在血管内皮细胞培养室中以150μl/h的流速进行灌流，灌流用的培养基中加入悬浮培养的单核细胞，置于37℃培养箱中培养，每隔24h并拍照记录单核细胞所在位置及其迁移如基质室中的位置，实时记录单核细胞运动位置及形态改变。纳米颗粒作用1天和3天后，记录细胞形态，其结果如图2所示。可见肺泡上皮细胞内出现黑色纳米颗粒团聚，细胞变形，皱缩。对细胞进行凋亡染色，其结果如图3所示。可见随着纳米颗粒作用时间的延长，芯片通道中两种细胞的凋亡细胞均增多。
实施例3
制作微流控芯片，由上下两层PDMS构成，包括血管内皮细胞入口池、细胞外基质入口池、肺泡上皮细胞入口池、废液池、血管内皮细胞培养室、肺泡上皮细胞培养室和基质室等结构。血管内皮细胞培养室和肺泡上皮细胞培养室高度为200-1000μm，基质入口池和基质室高度为200μm。将matrigel工作液1μl加入基质入口池，30℃孵育30min。将血管内皮细胞细胞悬液20μl加入血管内皮细胞入口池，将芯片竖立90度，37℃培养箱中放置6h。采用同样的方法在肺上皮细胞培养室中接种肺上皮细胞并竖立1h，将芯片放平移入37℃培养箱中培养，每隔24h换液一次。培养48h后，采用肺泡上皮细胞钙粘蛋白E-cadherin和血管内皮细胞VE-cadherin检测芯片肺气血屏障的完整性，采用FITC标记的右旋糖苷(FITC-Dextran)监测芯片肺气血屏障的通透性。在肺泡上皮细胞培养室中加入直径为100纳米的二氧化钛纳米颗粒。在血管内皮细胞培养室中以20μl/h的流速进行灌流，灌流用的培养基中加入悬浮培养的单核细胞，置于37℃培养箱中培养，记录单核细胞运动位置及形态改变以及肺泡上皮细胞、血管内皮细胞的变化。

Claims (2)

1.一种基于器官芯片技术的纳米颗粒肺损伤评价方法，其特征在于采用用于纳米颗粒肺损伤评价的器官芯片，所述器官芯片用于纳米颗粒肺损伤评价，该器官芯片由上下两层PDMS粘合封接而成，包括血管内皮细胞入口池（1），细胞外基质入口池（2），肺泡上皮细胞入口池（3），废液池（4），血管内皮细胞培养室（5），肺泡上皮细胞培养室（6），基质室（7）；
所述基质室（7）两端为细胞外基质入口池（2），中间部分为“丰”字形，中间的横向结构为对称排列着7~10个栅栏结构（8），基质室（7）通过两边的栅栏结构（8）与血管内皮细胞培养室（5）和肺泡上皮细胞培养室（6）连接；
所述血管内皮细胞培养室（5）上连血管内皮细胞入口池（1），下连废液池（4）；
所述肺泡上皮细胞培养室（6）上连肺泡上皮细胞入口池（3），下连废液池（4）；
所述器官芯片是由高度不同的两部分组成，血管内皮细胞培养室（5）和肺泡上皮细胞培养室（6）高度为200-1000μm，基质入口池（2）和基质室（7）高度为100 -300μm；
按照如下步骤进行：
(1) 芯片基质灌注
采用matrigel工作液，用移液器将其加入基质入口池，每孔0.5-100μl ；加PBS 缓冲液于培养皿中，将固定芯片的培养皿放入培养箱中孵育20-60min凝胶，凝胶过程结束后，从血管内皮细胞入口池和肺泡上皮细胞入口池分别加入两种细胞的培养液；
(2) 芯片细胞接种及培养
血管内皮细胞制成悬液，取5-100μl悬液加入血管内皮细胞入口池，并迅速从废液池吸走5-100μl细胞培养液，将芯片竖立，并移入37℃培养箱中放置；竖立方向为血管内皮细胞培养室朝上，而肺上皮细胞培养室朝下；竖立放置1-12h后，取出观察，细胞紧贴在细胞培养室与基质室的交汇处形成薄层细胞层；采用同样的方法在肺上皮细胞培养室中接种肺上皮细胞并竖立5-60min，将芯片放平移入37℃培养箱中培养、每隔24h 换液一次，并拍照记录两种细胞层所在位置；
(3) 芯片肺气血屏障功能监测
采用肺泡上皮细胞钙粘蛋白E-cadherin和血管内皮细胞VE-cadherin检测芯片肺气血屏障的完整性，采用FITC标记的右旋糖苷（FITC-Dextran） 监测芯片肺气血屏障的通透性；
(4) 加入纳米颗粒
待肺泡上皮细胞和血管内皮细胞在芯片上共培养48h后，在肺泡上皮细胞培养室中加入不同大小、性质和材料的纳米颗粒；
(5) 加入单核细胞
在血管内皮细胞培养室中加入悬浮培养的单核细胞，模拟体内循环血液中的单核细胞；培养基流速为10-1000μl/h，37℃培养箱中培养，每隔24h并拍照记录单核细胞所在位置及其迁移如基质室中的位置，实时记录细胞运动位置及形态改变。
2.按照权利要求1所述的基于器官芯片纳米颗粒肺损伤评价方法，其特征在于：芯片上纳米颗粒肺损伤评价模型内含有模拟循环血液中单核细胞的灌流条件下添加的单核细胞，可以实现对免疫细胞作用的评价。
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