上海大學(xué)高興華：基于中空微纖維組裝的內(nèi)分泌胰腺芯片，用于糖替代品評(píng)估

近年來(lái)，非傳染性疾病（NCD），如II型糖尿病、心血管疾病和高血壓等已經(jīng)成為了全球的主要死亡原因。在這其中，過(guò)量攝入高熱量糖與肥胖和許多非傳染性疾病風(fēng)險(xiǎn)高度相關(guān)。已有研究表明，減少高熱量糖的過(guò)量攝入可以降低患齲齒、肥胖、糖尿病、高血壓和癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。因此，隨著人們對(duì)低糖、低熱量健康飲食的需求不斷增加，人工甜味劑在食品工業(yè)中作為糖替代品的需求越來(lái)越高。相應(yīng)的，這些糖替代品對(duì)人體的影響評(píng)估就顯得極為必要。

近期，上海大學(xué)材料基因組工程研究院高興華團(tuán)隊(duì)提出了一種用于糖替代品食品添加劑安全性評(píng)價(jià)的微流控芯片。該工作開(kāi)發(fā)了一種基于微纖維組裝的內(nèi)分泌胰腺芯片，將基于微流控紡絲技術(shù)制備的模擬血管與3D胰島培養(yǎng)芯片相結(jié)合，可以用于評(píng)估葡萄糖以及各種糖替代品對(duì)胰島細(xì)胞活力以及胰島素、胰高血糖素分泌的影響，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行食品安全性評(píng)價(jià)。相關(guān)研究以“Hollow Microfiber Assembly-Based Endocrine Pancreas-on-a-Chip for Sugar Substitute Evaluation"為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》期刊上。

如圖1所示，通過(guò)微流控紡絲技術(shù)，研究人員使用甲基丙烯酰化明膠（GelMA）與海藻酸鈣（CaA）制備了可負(fù)載細(xì)胞的中空復(fù)合微纖維，用于模擬血管組織并用于物質(zhì)運(yùn)輸。同時(shí)，研究人員使用Matrigel作為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）材料，構(gòu)建了三維胰島組織，與復(fù)合微纖維一同組裝到芯片中即可構(gòu)建得到內(nèi)分泌胰腺芯片。

圖1 利用微流控紡絲技術(shù)構(gòu)建內(nèi)分泌胰腺芯片

圖2展示了微流控紡絲技術(shù)制備GelMA/CaA中空微纖維的方法與表征。GelMA是一種具有良好生物相容性的血管化構(gòu)建常用材料，將其與CaA進(jìn)行共混使用，可以得到具有雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)質(zhì)血管支架材料。該團(tuán)隊(duì)使用摩方精密nanoArch®S140（精度：10μm）制備了具有不同高度流道的芯片模板，并使用PDMS成型得到微纖維制備芯片。通過(guò)在芯片的不同流道中通入不同的組分或輔助流體，材料中的海藻酸鹽（NaA）與鈣離子（Ca2?）可以發(fā)生瞬時(shí)離子交聯(lián)對(duì)微纖維進(jìn)行快速定形，再通過(guò)紫外曝光使GelMA二次交聯(lián)，最終得到尺寸均勻、結(jié)構(gòu)完整的復(fù)合微纖維。

圖2 GelMA/CaA復(fù)合中空微纖維的制備和表征

目前，血管模型構(gòu)建中的細(xì)胞加載通常存在兩種方法，一是將細(xì)胞加載到中心流道中，使內(nèi)皮細(xì)胞粘附在流道側(cè)壁上進(jìn)行生長(zhǎng)；另一種則是將細(xì)胞加載到外側(cè)管狀凝膠中，使凝膠作為上皮細(xì)胞的支架進(jìn)行三維培養(yǎng)。如圖3所示，研究人員同時(shí)采用了兩種方法接種小鼠胰島內(nèi)皮細(xì)胞（MS1），最終確定加載到中心流道中的方法能帶來(lái)明顯更佳的效果，細(xì)胞在中空微纖維中可以形成管腔結(jié)構(gòu)，且表現(xiàn)出一定的血管化內(nèi)皮特性。

圖3 GelMA/CaA復(fù)合中空微纖維的細(xì)胞加載與培養(yǎng)

通過(guò)上述方法構(gòu)建得到模擬血管組織后，研究人員將其與三維胰島培養(yǎng)組織結(jié)合，得到內(nèi)分泌胰腺芯片。如圖4所示，小鼠胰島瘤胰島β細(xì)胞（β-TC6）在芯片上Matrigel中成簇生長(zhǎng)，細(xì)胞內(nèi)與編碼、產(chǎn)生胰島素等相關(guān)的mRNA均能正常表達(dá)。

圖4 胰島組織的三維培養(yǎng)及表征

內(nèi)分泌胰腺芯片在嵌入微纖維模擬血管以及三維胰島培養(yǎng)組織后，研究人員使用GelMA水凝膠對(duì)其進(jìn)行覆蓋。模擬血管在芯片培養(yǎng)一定時(shí)間后表現(xiàn)出了良好的可灌注性與滲透性，如圖5所示。研究人員通過(guò)模擬血管向芯片中通入不同濃度的葡萄糖溶液，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)胰島培養(yǎng)組織的持續(xù)動(dòng)態(tài)刺激，高葡萄糖濃度溶液可以顯著提高胰島培養(yǎng)組織中胰島素的分泌量，且這種變化相較于靜態(tài)培養(yǎng)組更加明顯，更加接近生理狀態(tài)，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估糖代謝。

圖5 內(nèi)分泌胰腺芯片的構(gòu)建與表征

基于該種內(nèi)分泌胰腺芯片，研究人員對(duì)四種常見(jiàn)的糖替代品：赤蘚糖醇、木糖醇、糖精鈉和三氯蔗糖進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)，如圖6所示。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，四種糖替代品均不會(huì)刺激胰島產(chǎn)生更多的胰島素，而與胰島素相拮抗的胰高血糖素則出現(xiàn)分泌量顯著上升，這些結(jié)果足以說(shuō)明上述糖替代品不會(huì)導(dǎo)致血糖水平的上升。

圖6 基于內(nèi)分泌胰腺芯片的糖替代品安全性評(píng)價(jià)

綜上所述，該研究開(kāi)發(fā)了一種新型的、基于中空微纖維模擬血管的內(nèi)分泌胰腺芯片，可用于評(píng)價(jià)糖替代品對(duì)胰島細(xì)胞的活力以及胰島素、胰高血糖素分泌量的影響，為各類食品添加劑的安全性評(píng)價(jià)提供新的平臺(tái)。該芯片還在胰島疾病體外生理模型構(gòu)建、藥物評(píng)價(jià)、胰島體外仿生設(shè)計(jì)等方面具有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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