Small Methods:形成体外可灌注微血管网络的稳健方法

原创署名:潘奕辰

工程微血管网络 (MVN) 已成为体外组织和器官功能研究中无处不在的工具。在体外形成的MVN的价值在于,它们能够概括体内微血管生理学的主要功能并阐明关键生理和病理过程的机制,例如选择性、渗透性、血管生成、血脑屏障、血管-神经元相互作用、经内皮脂联素通量、衰老基质细胞或基质细胞亚群的血管化功能、常氧\缺氧、肿瘤血管调节、癌症外渗、胶质母细胞瘤异质性、环境细颗粒物的促凝血作用、微血管组织对压缩应力的反应、放射生物学效应以及高血糖效应等。为了在体外更好地模拟体内的真实情况,MVN必须是可灌注的。为了实现血管内流动的功能,需设计基于微柱和侧翼介质通道的微流体结构,然而基于这些设计的开放血管通常会导致MVN的直径大于典型的人体微血管,难以生成生理形态、尺寸和可灌注性三方面都稳定的MVN。

近日,麻省理工学院Roger D. Kamm团队在Small Methods上发表了研究文章,通过紧密间隔的微柱构造划分微流控平台内的相邻通道,并研究了播种参数的最终生成MVN几何形状的影响,建立了一种稳健的两步播种策略,实现了在微流体装置中生成可灌注的生理MVN。

在本工作中,作者量化了不同密度的人脐静脉内皮细胞(EC)和肺FB形成的MVN的血管开口百分比和中央可灌注 MVN 百分比(如下图)。观察发现,具有较大直径的MVN更有可能与相邻介质通道形成开放接口;另一方面,较小直径(如毛细血管)的MVN通常缺乏开放的微血管,导致血管要么不可灌注,要么只能部分灌注。因此,在微柱之间的区域,较高的EC密度和较低的FB密度可促进开放的微血管和可灌注的MVN形成。

接着,作者采用新颖的两步法将微柱之间的区域与中央通道的主体分离,以独立提供有利于在中央区域的微柱和毛细血管状 MVN 之间生成开放、大直径血管的条件。首先将高浓度的EC单独注入中央通道,然后立即吸出未固化的溶液。由于表面张力作用,悬浮在凝胶溶液中的少量EC会被保留在微柱之间(称为“外层ECs”)。之后,通过将EC和基质细胞混合物注入中心区域,形成了主要的 MVN。在7天时间中,中心区域的EC自组织形成直径较小的MVNs,而较高浓度的外层EC则形成更宽、更开放的管腔,将​MVNs连接到侧翼介质通道。

与一步法产生可灌注但更宽的 MVN 相比,两步法策略在中心区域产生了具有更小直径微血管的 MVN,且比一步法具有更高的可灌注性(更开放的外层微血管)。作者表示:这种方法适用于包括来自患者体内的多种类型的EC、基质细胞ECM,。两步法策略产生的MVN,可以用于研究微血管疾病、免疫细胞运输、肿瘤细胞外渗、药物转运和动力学,以及血管化的肿瘤球体和类器官等。

文章信息:

A Robust Method for Perfusable Microvascular Network Formation In Vitro

Zhengpeng Wan, Amy X. Zhong, Shun Zhang, Georgios Pavlou, Mark F. Coughlin, Sarah E. Shelton, Huu Tuan Nguyen, Jochen H. Lorch, David A. Barbie, Roger D. Kamm*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202200143

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202200143