CN112166179A - 用于多通道脉管的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于体外模型中的多通道脉管和多器官脉管‑血管流体接口的系统和方法。所述方法包括：将至少一个组织嵌入3D结构中；形成用于将营养物灌注到所述一个或多个组织中的脉管接口；通过改变血管属性一起或单独地调节所述一个或多个脉管接口以拥有天然生物靶组织或靶环境的特性；以及为流体接口通道加衬里以用生理概括方式提供生长流体。所述3D结构包括用于脉管再生或脉管生成的脉管生成元素。

Description

用于多通道脉管的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年3月26日提交的美国临时申请号62/648,209的权益，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
关于联邦资助研究的声明
本发明是在美国国立卫生研究院授予的政府资助(编号为1UG3TR002198-01)下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
背景技术
某些片上器官装置可以包括微工程生物细胞培养隔室，在所述隔室中可以概括人类生理学的组织和器官水平元素。微工程生物细胞培养隔室可以允许对该器官系统的功能性生物单位(例如，模拟胰腺的分泌胰岛素的胰岛单位、模拟肺中的氧气运输的气液接口)进行体外生理建模。这样的模型可以对活的人体组织进行测试，而无需活的人体受试者。
但是，某些片上器官系统无法创建功能性和/或现实的多器官网络，并且无法在系统水平上概括复杂的生理反应和多器官相互作用。在2D模型中，在皮氏培养皿上生长的单层内皮细胞代表血管内腔，但是由于缺少通常参与血管行为的其他细胞(例如周细胞和平滑肌细胞)，该方法可能受到限制。由于灌注效率不足，某些器官芯片系统具有扩散约束，这些约束限制了在水凝胶或其他支架中生长的3D组织的大小。较大的组织可能需要更有效的灌注来促进组织的发育、存活、调节和体内平衡。某些组织需要来自血管组织或脉管的微环境提示，以在体外分化为生理状态或执行生物功能。
因此，仍然需要为用于治疗应用和药物筛选的片上器官装置创建具有改善的灌注效率的多器官网络及其接口。
发明内容
所公开的主题提供了用于产生来回于人体或动物活组织内的单个或多个体外组织或在其间的或者来回于多个体外组织或在其间的多通道脉管或可灌注的脉管流体接口的系统和方法。
在某些实施方案中，一种使用微生理装置或片上器官装置来培养组织的方法可以包括将至少两个组织嵌入3D结构中，其中所述3D结构包括脉管生成元素。用于营养物灌注的脉管接口形成在所述至少两个组织中，并且通过改变至少一个血管属性而被调节为拥有天然生物靶组织或靶环境的特性。可以为流体接口通道加衬里并将其联接到所述3D结构以向其提供生长流体，以促进血管生成。本文类似地公开了一种对应的系统。
在某些实施方案中，一种使用微生理装置或片上器官装置来培养组织的方法可以包括将一种组织类型嵌入3D结构和一个或多个脉管生成元素中。用于营养物灌注的脉管接口形成在组织内、或组织外、或组织内和组织外，并且通过改变至少一个血管属性而被调节为拥有天然生物目标组织或目标环境的特性。可以为流体接口通道加衬里并将其联接到所述3D结构以向其提供生长流体，以促进血管生成。本文类似地公开了一种对应的系统。
在某些实施方案中，所述方法还可以包括在至少两个组织之间引入脉管生成组织的部段、元素或层，以创建血管接口。脉管生成元素和脉管生成组织层可以包括缺氧诱导因子(HIF)、成纤维细胞生长因子(FGF)和/或脉管内皮生长因子(VEGF)。在一些实施方案中，所述方法还可以包括链接多个脉管接口以形成多通道脉管培养系统。
在某些实施方案中，所述方法可以包括在一个组织的上游、或下游、或上游和下游引入脉管生成组织的部段、元素或层，以创建一个或多个脉管接口，从而能够通过脉管血管结构与组织进行流体连通。脉管生成元素和脉管生成组织层可以包括缺氧诱导因子(HIF)、成纤维细胞生长因子(FGF)和/或脉管内皮生长因子(VEGF)。在一些实施方案中，所述方法还可以包括链接多个脉管接口以形成多通道脉管培养系统。
在某些实施方案中，可以通过改变以下各者中的一者或多者来调节脉管的血管属性以拥有天然生物靶组织的特性：血管密度、血管直径、血管屏障功能、血管疾病状况或间接地实现这些改变中的一者或其组合(例如，通过对脉管细胞或脉管组织的机械感测反馈)的材料特性(包括刚度、孔径或暴露的化学部分或化学基团)。
附图说明
通过下面结合示出本公开的说明性实施方案的附图进行的详细描述，本公开的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1是在3D微生理组织培养装置中的3D纤维蛋白水凝胶中的示例性工程脉管的图示。比例尺为200μm。
图2是在微生理装置中通过工程脉管(表达RFP的脉管内皮细胞)的空心管腔的1μm荧光珠(来自底部的点)的示例性灌注的图示。
图3是在微生理装置内的3D ECM水凝胶中与移植的人体胰岛组织的工程脉管接口的示例性图表的图示。
图4是内皮衬里的脉管与从小鼠分离的表达GFP的胰岛的示例性工程3D脉管接口的图示。
图5是骨髓模型的示例性示意图的图示，其中人体骨髓组织可经由3D脉管接口流体地进入，所述3D脉管接口又与通过用脉管内皮细胞涂覆流体通道的所有侧而形成的大血管流体接口相接以形成限定大小的脉管血管。
图6是白细胞从中央骨髓组织隔室通过工程3D脉管流体接口的示例性灌注的图示，所述灌注由流体流动和基于大小的选择性所驱动，所述选择性由形成在其中的血管的管腔直径决定。
图7是在流体悬浮液中的捕获的白细胞的流入侧和流出侧的示例性3D脉管接口(内皮)的图示(中间)。
图8是根据所公开的内容的具有两个3D脉管接口的示例性系统的图示。
图9是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。
图10是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。组织在侧翼流动通道之间形成连续且可灌注的脉管连接。
图11是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。多个分离的组织经由安置在分离的组织之间的多种脉管接口材料进行流体连通。
图12是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。多种相邻的组织类型通过脉管接口材料与微流体通道的微腔室相接，以模拟与循环系统的生物接口。
图13是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。多个分开的组织通过脉管接口材料的多次放置而被内部脉管化。这个过程加快了可灌注的多组织网络的形成，从而模拟了血液循环中的生物联系。
图14是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。多个相邻组织通过脉管接口材料而被内部脉管化以形成可灌注的多组织材料。
图15是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。离散的组织流入通道，然后被脉管化。
图16是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。离散的组织悬浮在预凝胶脉管材料中，并放置在腔室内。脉管接口材料与包囊组织形成接口。
图17是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。通过用单层细胞为微通道或流体腔室加衬里而创建面积增加的血管接口。
图18是示出根据所公开的内容的方法中的示例性阶段的图表。离散的组织流入通道，然后被脉管化。能够形成单层的组织被嵌入流动通道中。
在所有附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记和字符用于表示所示实施方案的类似特征、元件、部件或部分。此外，尽管现在将参考附图详细描述本公开，但是结合说明性实施方案来进行描述。
具体实施方式
本文公开了使用多个微流体装置在片上器官上产生身体器官或系统的技术。所公开的主题可以通过对来自在片上器官中的一个功能单元与另一个功能单元的连接的前馈和反馈效应进行建模，而使用片上器官来执行完全或部分自动化的器官培养而无需专门人员。
在某些实施方案中，所公开的主题提供了一种微生理组织培养系统。所述微生理组织培养系统可包括工程血管网络。例如，可以将脉管内皮细胞、成纤维细胞、周细胞、间充质干细胞和/或平滑肌细胞一起接种到3D ECM支架或水凝胶中，并为其提供包含脉管生成因子(包括VEGF、FGF和内皮生长激素)的内皮细胞培养基。如图1所示，3D纤维蛋白水凝胶或胶原蛋白水凝胶或生物相容性水凝胶或其组合可用于脉管工程。在这些生长因子的存在下，细胞可以通过脉管生成、脉管再生或者脉管生成或脉管再生的组合的过程来形成带有空心的可灌注的管腔的图案化的血管结构。
在某些实施方案中，微生理组织培养系统可以包括在脉管凝胶的壁上具有一层内皮细胞的衬里。例如，单层内皮细胞衬里可以驱动脉管再生发芽到水凝胶中。具有单层层的微生理组织培养系统可以将3D凝胶基质内形成的血管与凝胶内皮衬里的外管腔接合。在一些实施方案中，在2-7天的生长后，3D微生理组织培养系统可以具有可灌注的脉管网络，所述脉管网络包括被周围间质中的周细胞或成纤维细胞或其组合包围的空心的内皮细胞衬里管腔(图2和图10)。
在某些实施方案中，微生理组织培养系统可以在多种工程或天然组织类型之间具有脉管接口。微生理组织培养系统可以是3D细胞培养模型，其通过链接两种或更多种组织类型(包括在脉管接口中产生的脉管组织)来概括人体尺度或器官尺度的组织动力学。通过显微镜、流出物采样、集成生物感测或物理/结构测量收集的数据可以用于创建3D微生理组织培养系统或3D细胞培养系统。所公开的培养系统可以用于治疗应用、人体组织活检(例如，癌症活检、采样的微生物培养和/或感染)的培养或药物筛选。
在某些实施方案中，3D微生理微流体系统可以通过促进组织中的血管来为组织的发育、存活、调节和体内平衡提供灌注。血液可以携带营养物、氧气、发信激素、各种细胞类型(包括红细胞、血小板、白细胞和干细胞)，以及代谢废物和二氧化碳。为了灌注人体组织，3D微生理微流体系统可以具有与人体类似的脉管系统，所述脉管系统可以从大的主动脉分支出来，通过动脉(例如，直径为0.1-10mm)、小动脉(例如直径为0.01-0.1mm)和毛细血管(例如，直径为0.005-0.01mm)离开心脏(例如，直径为20–30mm)，此时可能发生血源性元素向周围组织内和外的扩散和运输。血液可以从毛细血管网络通过小静脉(直径为0.008-0.1mm)和静脉(直径为0.1-15mm)循环回去。血管可以包括由内皮细胞形成的内部内皮，所述内皮细胞被结缔组织中的受神经支配的平滑肌细胞、脉管周细胞和成纤维细胞包围。
在某些实施方案中，3D微生理微流体系统可以提供相互的发信，所述相互的发信可以发生在生物组织与灌注它的血管之间。人体组织中的局部缺氧或营养缺乏可能会导致发信分子的分泌，包括低氧诱导因子(HIF)、成纤维细胞生长因子(FGF)和血管内皮生长因子(VEGF)。发信分子的分泌可以促进脉管生成，即由前体细胞形成血管；以及脉管再生，即血管从现有的内皮组织中发芽。例如，由脉管生成内皮细胞形成的新生血管可能与胚胎发育过程中的组织描绘和诱导发信、密集血管化的胰岛有关，胰岛素和其他调节体内平衡的激素从该胰岛中分泌出来。这些胰岛与有孔的毛细血管紧密接触地存在，并采样其中血液的葡萄糖浓度，从而释放胰岛素作为反应；创建胰岛的体外模型而不包括其脉管环境是没有远见的。另外，内皮细胞和平滑肌细胞可以是由于药物诱导的脉管损伤而受到损伤的靶，但是所得的损伤可以定位到特定结构上，例如冠状动脉中的分支点。
在某些实施方案中，3D微生理微流体系统可以包括不同的脉管结构。例如，脉管结构可以包括为大脑血管加衬里的内皮细胞，所述内皮细胞可以彼此形成紧密的连接，以控制允许进入人脑中的大脑(即，血脑屏障)的分子。另外，3D微生理微流体系统可包括脉管结构，所述脉管结构的壁包含平滑肌细胞、结缔组织和负责肺泡气体交换的细的微血管。
在某些实施方案中，所公开的微生理微流体系统可包括至少一个腔室。腔室的形状可以根据目的而改变。例如，腔室可以是直的通道。例如，腔室可以全部或部分地囊封另一个腔室。在一些实施方案中，腔室可以被垂直地图案化。腔室可以彼此相邻放置。此外，通过这些图案的流可以以可调整的方式联网。可以制造这些腔室以创建血流中的物质的分区模型。例如，可以将管道放置在任何两个或更多个端口之间，而进入装置的组织的不同区域以建立直接连接。可以收集通过这些端口中的任何一个向外流出的流体流出物。例如，所述组织中的一个可以被放置在5通道实施方案的中心，并且具有候选药物的流可以从左到右流过组织，流过左侧的第一脉管接口和右侧的第二脉管接口。可以收集组织之前和之后的脉管端口中的流出物，以测量药物的代谢。如图13所示，具有右向靶器官的左向组织可以与脉管相接，以在左向组织之前、在左组织之后但在靶器官之前、以及在靶器官之后对流出物进行采样；可以测量药物的代谢及其对靶器官的分泌产物的影响。所公开的装置可以被具有脉管互连的两个以上的器官扩展。
在某些实施方案中，所公开的主题提供了用于生成3D脉管接口的方法。所述方法可以包括使至少两个实质3D组织相接。实质组织可以拥有脉管或无脉管组织。可以通过在组织之间引入3D脉管生成组织的另外部段、元素或层来连接组织，以形成血管。例如，如图9所示，可以对安置在微流体装置中的组织创建脉管接口。相接组织可以形成能够进行脉管生成或脉管再生的可灌注的脉管结构。相接组织可以经由脉管生成和/或脉管再生而自我脉管化，并且接合或连接到实质组织中的现有血管或脉管，从而在相对的原始组织之间形成可灌注的流体连接的接口。在一些实施方案中，相接组织可经由脉管再生发芽在现有组织中脉管化或形成新的血管，从而形成与现有实质组织流体链接的可灌注的血管接口(图10)。在非限制性实施方案中，相接组织可以与某些天然脉管组织或脉管血管接合。
在某些实施方案中，可以在添加相邻靶标建模的3D组织之前注射脉管生成组织。例如，如图18所示，脉管生成组织可以在支架、基质或凝胶(其中形成脉管接口)中相接，以使随后被注射或接种到组织培养装置中的合适的组织成分稳定。在一些实施方案中，相接的脉管生成组织可以具有结构刚性以使注射的组织或具有松散或自由流动元素的组织的流体悬浮液固定在适当位置(例如，在注射端口被塞住之后)。因此，具有相接的脉管生成组织的支架、基质或凝胶可以通过充当具有由脉管或血管的直径决定的孔径的过滤器来防止松散的元素逃逸到本体溶液中。在一些实施方案中，相接的脉管生成组织可以改善凝胶的结构刚性，以将注射的组织固定在适当位置，直到其自身的水凝胶、支架或细胞外基质凝固、固化和/或交联为止。例如，将脂肪细胞注射到3D胶原蛋白凝胶中可以在两个脉管生成水凝胶细胞外基质(ECM)支架之间创建“片上脂肪”组织模型。相邻的脉管生成组织可以以脉管再生方式发芽到脂肪模型中，以创建脉管接口。在非限制性实施方案中，脉管生成组织可以进一步改善固化的、凝固的或交联的3D脉管生成支架、基质或凝胶的结构表面，以接种或植入单层细胞，所述单层细胞的表面覆盖范围限于面向由脉管生成组织边界封闭的体积的表面。例如，可以将单层内皮细胞接种到凝胶腔室中，以模拟更大的血管(诸如动脉)，从而与代表毛细血管床的3D脉管生成组织相接。所公开的系统可以用于确定药物引起的脉管损伤发生处的血管规模。
在某些实施方案中，所述方法可包括将组织嵌入在包含脉管生成组织的支架、基质或凝胶内。例如，工程组织(例如，类器官或球体)、天然组织例如(胰岛β胰岛或活检癌)或其组合可以被嵌入支架、基质或凝胶内。组织嵌入系统可以具有脉管生成元素，所述脉管生成元素可以形成可灌注的血管，所述血管接合或连接到所包含的组织中的现有血管或脉管。如图16所示，可以将离散的组织(例如，球体、类器官、活检组织、活检肿瘤、包囊组织、细胞聚集体或组织支架)悬浮在预凝胶脉管材料中并放置于腔室中。脉管接口材料可以与包囊组织形成接口。在一些实施方案中，支架、基质或凝胶中的脉管生成元素形成可灌注的血管，所述血管以脉管生再生方式发芽到所包含的组织中，从而形成脉管接口。在非限制性实施方案中，支架、基质或凝胶中的工程血管可以接合到嵌入组织天然存在的现有血管，同时还以脉管再生方式将另外的血管发芽到组织中以增加其脉管性。
在某些实施方案中，脉管生成组织接口的支架、基质或凝胶可以在空间上限制相接组织，同时仍允许流体进入以进行营养物灌注。例如，脉管生成组织接口的支架、基质或凝胶可以防止多个离散组织的合并，诸如两个胰岛或两个肾脏类器官或多个癌症球体。脉管生成组织接口的支架、基质或凝胶可进一步防止组织元素(例如球体或类器官)解离或松散成多个部分或防止对单个2D表面的粘附作出反应而变平。
在某些实施方案中，所述方法可以包括调节工程脉管接口以拥有与天然生物靶组织相关的特性。可以通过改变血管属性来执行调节，这些属性包括工程血管网络的密度、工程血管的直径、工程血管的屏障功能(例如紧密的内皮连接或有孔连接或窦状内皮)、工程血管的健康(例如，用于体外疾病模型或脉管损伤模型)、脉管灌注的时间(例如，用于快速提供流体进入以使营养物灌注到移植组织)和/或其组合。在一些实施方案中，出于生物研究、治疗测试和/或筛选的目的，调节后的脉管接口可以允许相接组织分化为生理状态，或者以生理相关的方式表现。此外，调节后的脉管接口可用于确定或影响流入两个或更多个相邻组织的流体分配系数。例如，具有较窄的血管的组织接口比具有较大或较密的血管的接口表现出增加的流动阻力，从而相对于具有较窄的限制性血管的接口，增加了流入具有较大血管的接口的流体流量。
在某些实施方案中，可以调节环境、机械和/或生物条件。例如，环境条件可以包括：放置在脉管生成组织内的脉管生成细胞的密度，其可以调节包括脉管密度在内的各方面；以及脉管生成组织内不同细胞或细胞类型的比率，其可以调节包括血管直径在内的各方面。生物条件可以包括一致地或动态地通过生长培养基提供给细胞的生化特征。例如，可以通过改变因子的浓度来调节生物条件，所述因子包括VEGF以加速或停止脉管生成，包括Ang1以促进脉管再生，包括皮质类固醇以促进紧密连接形成和/或包括TNF-α以增加脉管通透性。机械条件可以包括流体环境和结构环境。例如，可以改变流体环境以使组织暴露于连续的流体灌注，以产生更紧密的内皮连接和具有较少冗余分支的有效脉管网络。可以改变结构环境，以在较硬的ECM支架或凝胶内创建脉管生成组织接口，以驱动更坚硬的血管的形成，或者在更顺应的或更软的支架或凝胶内创建脉管生成组织接口，以模仿扩张的血管、血管瘤或破裂。
在某些实施方案中，所述方法可以包括为联接到组织的流体接口通道加衬里。所述流体接口通道可以包括平行的、并排的、垂直堆叠的或上游/下游的空间取向或构造。例如，如图17和图18所示，可以通过用单层细胞(例如，内皮细胞)为微通道或流体腔室加衬里来创建面积增加的血管接口。具有脉管内皮细胞的微生理组织培养系统可以模仿脉管管腔并创建组织间的脉管接口。组织间脉管接口可以具有血管的直径或横截面积，所述直径或横截面积可以由流体通道的几何形状具体限定。组织间脉管接口可以具有图案化的血管。在一些实施方式中，可以机械地致动血管壁以模拟脉管收缩或扩张。例如，可以模拟包膜收缩而不需要使血管为受神经支配的平滑肌细胞。
在某些实施方案中，所述方法还可以包括将多个脉管接口链接以形成“接口到接口”结构。在多接口结构中，包括生长培养基的流体可以通过一系列具有不同脉管特性(例如直径、密度、连接紧密度、基质刚度)的血管进行灌注，所述血管特性根据多个组织的天然生理特性而变化。例如，形成直径为500μm的大血管以对动脉建模，所述动脉与平均直径为100μm的小动脉大小的血管的相邻3D脉管接口相接，继而与经由固定注入的平均直径为10-20μm的微血管网络相接。相接结构可以进一步与模型中所包含的靶实质或器官组织或其他血管类型相接，以形成从大尺度到小尺度血管的完整循环模型。图11和图12示出了经由多种脉管接口材料进行流体连通的多个分离且相邻的组织。在一些实施方案中，可以灌注流体以将在体外模型内的不同尺度的循环系统为到较大或较小血管的一系列有序的脉管接口。例如，所述结构可以包括一系列2D或3D脉管接口，其中一个接口可以与下一个没有实质组织的接口相接。在如图13和图14所示的非限制性实施方案中，可以通过多次放置脉管接口材料来使多个组织内部脉管化，从而形成连续可灌注的多组织材料。
实施例I：多组织脉管接口(胰岛模型)
通过利用所公开的发明来开发胰岛模型，以创建与移植胰岛的脉管接口，所述脉管接口概括了体内人体胰岛的密集脉管化环境。该模型的目的是延长移植胰岛在体外的存活力，并允许进行胰岛动力学的研究，其目的包括评估葡萄糖刺激的胰岛素分泌，这是对胰岛功能的量度。
为了实现这些目标，如图3所示，从包括原代人体脉管内皮细胞和成纤维细胞在内的脉管生成组织中工程化快速形成的、致密的且可灌注的脉管接口。这些血管与原代人体胰岛的天然微血管接合，从而概括了人体胰腺中丰富的脉管系统以及胰岛固有的合适的内皮组织与内分泌组织之间的所产生的旁分泌发信，这对于体内胰岛功能至关重要，并且因此是在我们的微生理3D组织培养装置中离体维持胰岛功能的有前景的方法。
工程脉管接口允许以较高的时间分辨率对胰岛的功能进行瞬时测试；通过对工程脉管接口进行灌注，胰岛组织的任何激素分泌物(包括胰岛素)都会直接进入灌注液中，并且可以在装置流出物中采样，而不是保留在胰岛组织的外围或在液体悬液中稀释。此外，如图4所示，通过荧光成像技术使工程脉管接口可视化。
实施例II：多组织脉管接口(骨髓模型)
在该示例中，通过在两个脉管接口之间对人体骨髓的部段或层进行空间图案化来创建白细胞到血流中的动员模型。白细胞到血流中的动员可能是对人体其他部位的感染所释放的炎性细胞因子作出反应所致。在此模型中，两个3D脉管接口的空间图案化包括它们之间的空间，以供随后注射悬浮在3D胶原蛋白和透明质酸凝胶或ECM支架中的人源全骨髓，所述注射可以在空间上被脉管接口固定。在注射后，脉管接口中的脉管生成组织以脉管再生方式发芽到骨髓组织中以使其脉管化，并且还与骨髓组织中的天然脉管接合。通过图案化流体进入通道创建第二可灌注的脉管接口，以形成大血管模型，并用单层内皮细胞对其进行涂覆以形成脉管接口。脉管接口接合到先前形成的3D脉管接口以与骨髓组织相接。
如图5所示，创建的模型利用了两个3D脉管接口来固定随后在它们之间进行的骨髓组织注入。脉管接口自脉管化并形成微血管，所述微血管可以选择性地允许白细胞通过其管腔，同时防止较大块的骨髓组织由于流体流动而移位。此外，外部图案化的流动通道接种有脉管内皮细胞的单层管腔，以便创建可以与3D脉管接口中的较小血管相接的大血管脉管接口。这个与骨髓组织的接口链允许对进入骨髓毛细血管的白细胞外渗(即移动进入脉管)进行建模，例如白细胞外渗是对炎症性细胞因子暴露作出反应，此后白细胞被运输到较大的血管，以对其通过循环系统向发炎组织的运输进行建模。如图6所示，检测到来自中央骨髓组织隔室的通过工程3D脉管流体接口的白细胞灌注。通过其中形成的血管的管腔直径选择性地控制灌注。图7示出了在流体悬浮液中的捕获的白细胞的流入侧和流出侧上具有内皮的3D脉管接口。图8示出了用于创建骨髓模型的装置的替代利用。在该实验中，将两个密集的3D脉管接口接种到图案化的通道中、在通道之间和接种有单层的脉管内皮细胞的外侧上以创建另外的脉管接口层。在外部通道(最上端和最下端)上，这些单层脉管接口对大血管(动脉和静脉)进行建模。在内部通道上，单层血管接口以脉管再生方式发芽到3D脉管接口，从而允许在3D脉管接口中形成与血管管腔的更大更坚固的连接。在建立这些连接后，将骨髓组织接种到中央通道中，可以在所述中央通道中形成来自单层的脉管再生芽，以创建可灌注的脉管接口。可灌注的脉管接口从模型的顶部通道跨越到底部。
应当理解，前述内容仅说明本公开的原理，并且本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围和精神的情况下进行各种改变。

Claims (5)

1.一种使用微生理装置来培养组织的方法，其包括：
将至少两个组织嵌入3D结构中，其中所述3D结构包括脉管生成元素；
形成用于将营养物灌注到所述至少两个组织中的脉管接口；
通过改变血管属性来调节所述脉管接口以拥有天然生物靶组织或靶环境的特性；以及
为流体接口通道加衬里，所述流体接口通道联接到所述3D结构以提供生长流体。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述至少两个组织之间引入脉管生成组织的部段、元素或层，以产生所述脉管接口。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉管生成元素包括缺氧诱导因子HTF、成纤维细胞生长因子FGF和/或血管内皮生长因子VEGF。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述血管属性包括血管密度、血管直径、血管屏障功能和/或血管疾病状况。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包括链接多个脉管接口以形成多通道脉管培养系统。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210348098A1 (en) * 2018-09-19 2021-11-11 Cellartgen Inc. Microfluidic device for cerebrovascular simulation and high-efficiency blood-brain barrier simulation system comprising same
JP2023523427A (ja) 2020-04-24 2023-06-05 ザ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ ペンシルバニア デジタル流体テレポーテーション、高度生体仮想化、および生体機能チップと生体模倣モデルの大規模集積化
WO2023230462A2 (en) * 2022-05-23 2023-11-30 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Apparatus, system, and method for forming a perturbable bone marrow model within a three-dimensional microphysiological system

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013116729A1 (en) * 2012-02-02 2013-08-08 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Microfabricated 3d cell culture system
CN103477222A (zh) * 2010-09-29 2013-12-25 麻省理工学院 用于高通量研究细胞相互作用的装置
US20150087004A1 (en) * 2012-02-02 2015-03-26 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Microfabricated 3D Cell Culture System
CN105050616A (zh) * 2013-03-15 2015-11-11 宾夕法尼亚大学理事会 包含缺氧诱导因子-1α的组合物及其使用方法
US20170009194A1 (en) * 2015-07-06 2017-01-12 Advanced Solutions Life Sciences, Llc Vascularized in vitro perfusion devices, methods of fabricating, and applications thereof
WO2017039043A1 (ko) * 2015-09-04 2017-03-09 서울대학교 산학협력단 체외 피부면역계 모사 시스템
CN107427537A (zh) * 2015-03-03 2017-12-01 哈佛学院院长及董事 产生功能性人体组织的方法
US20170355940A1 (en) * 2014-11-19 2017-12-14 Nortis, Inc. Method for vascularizing in-vitro generated or ex-vivo tissue fragments in a microfluidic device
CN107693846A (zh) * 2017-09-29 2018-02-16 清华大学 一种具有多层血管结构的仿生血管化软组织及其制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1340581C (en) * 1986-11-20 1999-06-08 Joseph P. Vacanti Chimeric neomorphogenesis of organs by controlled cellular implantation using artificial matrices
US20040044403A1 (en) * 2001-10-30 2004-03-04 Joyce Bischoff Tissue-engineered vascular structures
US7569071B2 (en) * 2005-09-21 2009-08-04 Boston Scientific Scimed, Inc. Venous valve, system, and method with sinus pocket
US20110244567A1 (en) * 2006-08-31 2011-10-06 Snu R&Db Foundation Device and Method of 3-Dimensionally Generating IN VITRO Blood Vessels
US9121847B2 (en) * 2008-04-08 2015-09-01 Massachussetts Institute Of Technology Three-dimensional microfluidic platforms and methods of use thereof
SG187214A1 (en) * 2010-08-06 2013-02-28 Univ Berlin Tech Circulation system
US20140335496A1 (en) * 2011-12-05 2014-11-13 Research Triangle Institute Human conducting airway model comprising multiple fluidic pathways
KR102311639B1 (ko) * 2015-03-26 2021-10-12 주식회사 티앤알바이오팹 심근조직 재생용 3차원 구조체의 제조방법

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103477222A (zh) * 2010-09-29 2013-12-25 麻省理工学院 用于高通量研究细胞相互作用的装置
WO2013116729A1 (en) * 2012-02-02 2013-08-08 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Microfabricated 3d cell culture system
US20150087004A1 (en) * 2012-02-02 2015-03-26 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Microfabricated 3D Cell Culture System
CN105050616A (zh) * 2013-03-15 2015-11-11 宾夕法尼亚大学理事会 包含缺氧诱导因子-1α的组合物及其使用方法
US20170355940A1 (en) * 2014-11-19 2017-12-14 Nortis, Inc. Method for vascularizing in-vitro generated or ex-vivo tissue fragments in a microfluidic device
CN107427537A (zh) * 2015-03-03 2017-12-01 哈佛学院院长及董事 产生功能性人体组织的方法
US20170009194A1 (en) * 2015-07-06 2017-01-12 Advanced Solutions Life Sciences, Llc Vascularized in vitro perfusion devices, methods of fabricating, and applications thereof
WO2017039043A1 (ko) * 2015-09-04 2017-03-09 서울대학교 산학협력단 체외 피부면역계 모사 시스템
CN107693846A (zh) * 2017-09-29 2018-02-16 清华大学 一种具有多层血管结构的仿生血管化软组织及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈柏松;陈方;: "血管再生与组织工程", 《中国组织工程研究与临床康复》, vol. 11, no. 45, 11 November 2007 (2007-11-11), pages 142 - 146 *

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Publication number Publication date
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