上海大學高興華：基于中空微纖維組裝的內分泌胰腺芯片，用于糖替代品評估

近年來，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成為了全球的主要死亡原因。在這其中，過量攝入高熱量糖與肥胖和許多非傳染性疾病風險高度相關。已有研究表明，減少高熱量糖的過量攝入可以降低患齲齒、肥胖、糖尿病、高血壓和癌癥的風險。因此，隨著人們對低糖、低熱量健康飲食的需求不斷增加，人工甜味劑在食品工業中作為糖替代品的需求越來越高。相應的，這些糖替代品對人體的影響評估就顯得極為必要。

近期，上海大學材料基因組工程研究院高興華團隊提出了一種用于糖替代品食品添加劑安全性評價的微流控芯片。該工作開發了一種基于微纖維組裝的內分泌胰腺芯片，將基于微流控紡絲技術制備的模擬血管與3D胰島培養芯片相結合，可以用于評估葡萄糖以及各種糖替代品對胰島細胞活力以及胰島素、胰高血糖素分泌的影響，進而對其進行食品安全性評價。相關研究以“Hollow Microfiber Assembly-Based Endocrine Pancreas-on-a-Chip for Sugar Substitute Evaluation"為題發表在《Advanced Healthcare Materials》期刊上。

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

圖1 利用微流控紡絲技術構建內分泌胰腺芯片

圖2展示了微流控紡絲技術制備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建常用材料，將其與CaA進行共混使用，可以得到具有雙交聯網絡的優質血管支架材料。該團隊使用摩方精密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?）可以發生瞬時離子交聯對微纖維進行快速定形，再通過紫外曝光使GelMA二次交聯，最終得到尺寸均勻、結構完整的復合微纖維。

圖2 GelMA/CaA復合中空微纖維的制備和表征

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

圖3 GelMA/CaA復合中空微纖維的細胞加載與培養

通過上述方法構建得到模擬血管組織后，研究人員將其與三維胰島培養組織結合，得到內分泌胰腺芯片。如圖4所示，小鼠胰島瘤胰島β細胞（β-TC6）在芯片上Matrigel中成簇生長，細胞內與編碼、產生胰島素等相關的mRNA均能正常表達。

圖4 胰島組織的三維培養及表征

內分泌胰腺芯片在嵌入微纖維模擬血管以及三維胰島培養組織后，研究人員使用GelMA水凝膠對其進行覆蓋。模擬血管在芯片培養一定時間后表現出了良好的可灌注性與滲透性，如圖5所示。研究人員通過模擬血管向芯片中通入不同濃度的葡萄糖溶液，可以實現對胰島培養組織的持續動態刺激，高葡萄糖濃度溶液可以顯著提高胰島培養組織中胰島素的分泌量，且這種變化相較于靜態培養組更加明顯，更加接近生理狀態，可以更準確地評估糖代謝。

圖5 內分泌胰腺芯片的構建與表征

基于該種內分泌胰腺芯片，研究人員對四種常見的糖替代品：赤蘚糖醇、木糖醇、糖精鈉和三氯蔗糖進行了安全性評價，如圖6所示。評價結果顯示，四種糖替代品均不會刺激胰島產生更多的胰島素，而與胰島素相拮抗的胰高血糖素則出現分泌量顯著上升，這些結果足以說明上述糖替代品不會導致血糖水平的上升。

圖6 基于內分泌胰腺芯片的糖替代品安全性評價

綜上所述，該研究開發了一種新型的、基于中空微纖維模擬血管的內分泌胰腺芯片，可用于評價糖替代品對胰島細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價提供新的平臺。該芯片還在胰島疾病體外生理模型構建、藥物評價、胰島體外仿生設計等方面具有著潛在的應用價值。

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