微流控裝置已經(jīng)被用于在體外模擬了由多種腎細胞構(gòu)成的腎單位。此細胞培養(yǎng)方式更加深入和接近體內(nèi)環(huán)境，能夠?qū)毎推鞴俟δ馨l(fā)現(xiàn)新的見解。芯片腎能夠加快人們對腎器官的研究，包括人工替代功能喪失的腎。如今，進行透析的患者需要每星期去醫(yī)院至多三次。可移植和易于接受的治療方式不僅可以增加患者的整體健康（通過增加治療頻率），而且整個過程將變得更有效和更容易。可移植的人造腎臟研究是一門急需要創(chuàng)新的學(xué)科，需要通過微流控技術(shù)，微型化和納米加工技術(shù)，為人造器官帶來耐用性和可植入的能力。

Example 腎單元芯片 – nephron-on-a-chip

圖1 PDMS仿生腎小管示意圖

單位是腎的基本構(gòu)成和功能單位，由腎小球和腎小管組成。麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計了一種人造生物裝置，其主要體外構(gòu)建了腎的基本單位腎小球，能夠?qū)崿F(xiàn)近端回旋小管和loop of Henle(腎元的一部分，從近曲小管到遠曲小管)的生理功能。

所構(gòu)建的裝置每個部分都有其獨特的設(shè)計，通常由兩個由膜隔開的微加壓層組成。微流控裝置的唯一入口是被設(shè)計用于血液樣品的進入。在腎小球的腎單元部分，薄膜允特定血液顆粒穿過由內(nèi)皮，基底膜和上皮足細胞組成的毛細血管壁。從毛細血管過濾到Bowman空間的液體稱為濾液或初級尿液。

圖2 具有三個功能單元橫截面的微流控芯片裝置的示意圖。黑色箭頭：被動運輸；白色箭頭：細胞介導(dǎo)的主動運輸

在小管中，一些物質(zhì)作為尿液形成的一部分，將進入到濾液中，還有一些營養(yǎng)物質(zhì)從濾液中會被再吸收返回到血液中。這些小管的第一段是近端回旋小管，這里能夠吸收幾乎全部營養(yǎng)重要物質(zhì)。在該裝置中，該部分僅僅是直通道替代，但是進入濾液的血液顆粒必須穿過前面所述的膜和一層腎近端小管細胞；小管的第二段是Henle循環(huán)，其中形成原尿和發(fā)生離子的再吸收過程。該設(shè)備的循環(huán)通道能夠模擬Henle循環(huán)的逆流機制；同樣，Henle循環(huán)的過程也需要許多不同類型的細胞，因為不同種類細胞類具有不同的轉(zhuǎn)運特性及特征。這些細胞類型包括：下肢肢體細胞、上肢細胞細胞、上肢增厚細胞、皮質(zhì)收集管細胞和髓樣收集管細胞。

驗證模擬微流控裝置對生理性腎單位的完全過濾和再吸收行為的一個過程包括證明血液和濾液之間的傳輸性質(zhì)與其發(fā)生傳輸?shù)奈恢猛さ倪M入情況相一致。 例如，大多數(shù)被動輸送的水發(fā)生在近端小管和下降的薄肢體中，而NaCl的主動運輸主要發(fā)生在近端小管和厚上肢體中。該裝置的設(shè)計需要將腎小球中的過濾分數(shù)控制在15％-20％之間變化，而近端回旋小管中的過濾重吸收在65％-70％之間變化，最后在尿液中收集尿素在200-400mM之間變化。

最近的一項研究論述了一種在水凝膠微流控裝置重現(xiàn)了具有生物活性的腎單位，建立了被動擴散的功能以及在血管與小管（均為中空通道）之間相互作用基礎(chǔ)上實現(xiàn)的復(fù)雜腎單位生理功能[8]。然而，傳統(tǒng)的實驗室技術(shù)通常是基于2D培養(yǎng)皿上，這樣會導(dǎo)致缺乏對生物體內(nèi)3D結(jié)構(gòu)中發(fā)生的真實生理能力被忽視。基于此，作者開發(fā)了一種微流控裝置新方法，主要在3D水凝膠中包含了制造功能，細胞襯里和可灌注微通道等。

血管內(nèi)皮和腎上皮細胞在水凝膠微通道內(nèi)培養(yǎng)并形成細胞層覆蓋在模擬的血管和小管管壁上。研究者使用激光共焦顯微鏡檢查水凝膠中一個小有機分子（通常是藥物）在血管和小管之間的被動擴散。該研究證明了在體外模擬再生醫(yī)學(xué)和藥物篩選的腎臟生理學(xué)的有效性潛力。

（作者：陳有靈犀 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）