模拟肺组织的微流控系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟肺组织的仿生系统及其制造方法和利用该仿生系统来控制微流体的方法，其中，该仿生系统包括分离自人体肺脏的肺上皮细胞、肺纤维母细胞和人脐静脉血管内皮细胞，并且内部灌流有微流体。可向该系统内部的腔室中分别灌流气体和包括培养液的流体，并且可模拟类似的呼吸运动，即使灌流该流体后经过一周以上，该系统内部的该三种细胞也均可存活。另外，可利用该系统内部的pH测定传感器和气体分压测定传感器来监测腔室内的pH和pO2，使该系统内部的该三种细胞在与活体内肺脏相同的条件下暴露于外部环境或药物等。由此，可实现包括有害物质所致肺疾病建模、治疗药物的药效测试等广泛领域的研究，进一步也可适用于体外疾病建模和定制药物处方。适用于体外疾病建模和定制药物处方。适用于体外疾病建模和定制药物处方。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】模拟肺组织的微流控系统


[0001]本专利技术提供了一种模拟肺组织的微流控系统、其制造方法以及利用该微流控系统的微流体控制方法，该微流控系统包括分离自人体肺脏的肺上皮细胞、肺纤维母细胞和人脐静脉血管内皮细胞，并且其内部灌流有微流体。
[0002]【支持本专利技术的国家研究开发项目】
[0003]【课题唯一编号】16C1787
[0004]【部门名】保健福祉部
[0005]【研究管理专门机构】韩国保健产业振兴院
[0006]【研究项目名】疾病治疗相关技术开发
[0007]【研究课题名】基于仿生芯片的急性肺损伤新药候选物质的临床效果研究
[0008]【贡献率】1/1
[0009]【主管机构】盆唐首尔大学医院
[0010]【研究期】2016.07.01～2019.08.31。

技术介绍

[0011]肺(lung)是进行呼吸运动必需的器官，通过吸气和呼气来吸入氧气并呼出二氧化碳。肺泡(alveoli)实现了在肺内部进行的气体交换，在肺泡毛细血管的血液中流经的红细胞将体内生成的二氧化碳运输至肺脏后，通过肺泡将这些二氧化碳排出至体外，并从空气中吸入氧气以运输至人体各部位。因此，与其他人体器官不同，肺会发生气体交换。
[0012]一方面，目前用于肺疾病研究的体内(in vivo)及体外(in vitro)模型受限于肺脏的特性，尚未得到充分的开发。例如，动物模型不会出现经常在人体中发现的气管及肺相关病理性异常(pathological abnormality)，大多数体外模型无法模拟实际分化成各种气管上皮细胞的组织成分及结构复杂性。进一步地，如上所述，模拟肺的体外模型必须暴露在包括氧气的气体中以用于进行研究，但目前市场上销售的利用细胞来制造的体外模型在暴露于气体中时，会发生诸如其细胞会在3日内死亡，因此不适于进行至少需要7日以上的模型制造、药物效果探索、药物毒性筛查等一系列的步骤。
[0013]为了解决上述问题，本专利技术人对微流控系统进行了研究并完成了本专利技术，该微流控系统的特征在于，由于即使在灌流气体和包括培养液的流体的步骤中，细胞也可长时间存活，因此可实现对各种肺疾病模型的模拟及治疗药物的效果测试、其他有害物质的测试、体外诊断以及定制药物处方。

技术实现思路

[0014]要解决的技术问题
[0015]一方面，本专利技术旨在提供一种模拟肺组织的微流控系统，该微流控系统包括分离自人体肺脏的肺上皮细胞、肺纤维母细胞和人脐静脉血管内皮细胞，并且该系统内部灌流有气体和包括培养液的流体，并且包括pH测定传感器和针对气体分压中的氧气分压(pO2)
的测定传感器。
[0016]另一方面，本专利技术旨在提供一种制造该模拟肺组织的微流控系统的方法。
[0017]又一方面，本专利技术旨在提供一种监测该模拟肺组织的微流控系统内的细胞培养环境的方法，该方法包括向该模拟肺组织的微流控系统灌流微流体和测定pH和pO2的步骤。
[0018]解决问题的方案
[0019]一方面，本专利技术提供了一种模拟肺组织的微流控系统，该微流控系统包括：第一层、第二层、第三层；和在该第一层和该第二层之间的用于灌流(perfusion)气体的第一腔室(chamber)和在该第二层和该第三层之间的用于灌流包括培养液的流体的第二腔室；其中，该第二层包括多孔性膜(membrane)，该多孔性膜包括肺上皮细胞(epithelial cell)、肺纤维母细胞(fibroblast)和人脐静脉血管内皮细胞(human umbilical vein endothelial cell)；该肺上皮细胞朝向该第一腔室，该血管内皮细胞朝向该第二腔室，该肺纤维母细胞存在于该血管内皮细胞和该肺上皮细胞之间，并且该肺上皮细胞、肺纤维母细胞分离自人体的肺脏，该第一层和该第三层分别包括至少一个以上的pH测定传感器和至少一个以上的pO2测定传感器。
[0020]另一方面，本专利技术提供了一种制造该模拟肺组织的微流控系统的方法，该方法包括：(1)用细胞外基质来涂覆该第二层的多孔性膜的步骤；(2)在所涂覆的多孔性膜上接种(seeding)并培养分离自人体的肺上皮细胞(epithelial cell)的步骤；(3)在接种该肺上皮细胞的多孔性膜的另一面上接种并培养分离自人体的肺纤维母细胞(fibroblast)和人脐静脉血管内皮细胞(human umbilical vein endothelial cell)的步骤。
[0021]又一方面，本专利技术提供了一种监测该模拟肺组织的微流控系统内的细胞培养环境的方法，该方法包括：向该模拟肺组织的微流控系统的该第一腔室灌流气体并且向该第二腔室灌流包括培养液的流体的微流体灌流的步骤；以及利用该系统的pH测定传感器来测定pH并且利用该pO2测定传感器来测定pO2的步骤。
[0022]专利技术的效果
[0023]本专利技术涉及一种模拟肺组织的微流控系统，该微流控系统包括直接分离自人体肺脏的肺上皮细胞和肺纤维母细胞；其中，可向系统内部的腔室中分别灌流气体和包括培养液的流体，灌流该气体和该流体后经过一周以上，系统内部的这三种细胞也均可存活。另外，利用该系统内部的pH测定传感器和pO2测定传感器，可实现氧气运输和pH监测，由此确定系统内部的该三种细胞是否在与活体肺脏相同的环境下生长。因此，经由利用人体的肺脏(尤其是肺损伤患者的肺脏)的根据本专利技术的一方面的模拟肺组织的微流控系统，可实现包括肺疾病模型的实现、治疗用药物的效果测试以及其他有害物质的测试的广泛领域的研究，进一步可实现体外诊断和定制药物处方等。
附图说明
[0024]图1为用于制造根据本专利技术的一个实施例的模拟肺组织的微流控系统的10种正常肺组织样品和2种肺癌组织样品的照片。
[0025]图2a为利用根据本专利技术的一个实施例的方法而解离的正常肺组织的肺上皮细胞(Normal
‑
Epi)的照片，图2b为利用根据本专利技术的一个实施例的方法而解离的肺癌组织的肺癌细胞(cancer
‑
Epi)的照片。
[0026]图3a为利用根据本专利技术的一个实施例的方法而分离的正常肺组织的肺上皮细胞(N
‑
Epi
‑
S1)的FACS分析结果图，图3b为利用根据本专利技术的一个实施例的方法而分离的肺癌组织的肺癌细胞(C
‑
Epi
‑
S1)的FACS分析结果图。就从第一个患者样品中获得的S1而言，Epi
‑
S1利用CD326
‑
PE抗体进行实验，指示细胞从正常组织和癌组织中均顺利地分离。
[0027]图4为利用根据本专利技术的一个实施例的方法而分离的正常肺组织的肺上皮细胞(N
‑
Epi
‑
S2)、肺纤维母细胞(N
‑
fibroblast
‑
S2)的FACS分析结果图。从第二个患者样品中获得的S2也按照上述方法进行实验并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种模拟肺组织的微流控系统，包括：第一层、第二层和第三层；和在所述第一层和所述第二层之间的用于灌流气体的第一腔室；和在所述第二层和所述第三层之间的用于灌流包括培养液的流体的第二腔室；其中，所述第二层包括多孔性膜；所述多孔性膜包括肺上皮细胞、肺纤维母细胞和血管内皮细胞；所述肺上皮细胞朝向所述第一腔室，所述血管内皮细胞朝向所述第二腔室，所述肺纤维母细胞存在于所述血管内皮细胞和所述肺上皮细胞之间；所述肺上皮细胞和所述肺纤维母细胞分离自人体肺脏；所述第一层和所述第三层分别包括一个以上的pH测定传感器和至一个以上的气体分压测定传感器。2.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述肺上皮细胞是肺泡上皮细胞。3.根据权利要求2所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述肺上皮细胞包括I型肺泡上皮细胞和Ⅱ型肺泡上皮细胞，所述I型肺泡上皮细胞和所述Ⅱ型肺泡上皮细胞的比例为7:3至9:1。4.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述系统的至少一部分是透明的。5.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述第一层包括注入气体的第一注入口、排出所述气体的第一排出口、注入包括培养液的流体的第二注入口和排出所述流体的第二排出口；所述第二层包括使所述包括培养液的流体从所述第一腔室灌流入所述第二腔室的2个以上的通道。6.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：用细胞外基质来涂覆所述多孔性膜。7.根据权利要求6所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述细胞外基质可选自由层粘连蛋白、I型胶原蛋白、Ⅱ型胶原蛋白、Ⅲ型胶原蛋白、Ⅳ型胶原蛋白、
Ⅴ
型胶原蛋白、
Ⅵ
型胶原蛋白、整联蛋白、巢蛋白、纤维粘连蛋白、弹性蛋白、蛋白聚糖、玻璃粘连蛋白、多聚
‑
D
‑
赖氨酸、多糖类、明胶或基质胶组成的组中的一种以上。8.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述多孔性膜的孔间隙大小为0.45μm或3μm。9.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述肺上皮细胞与从第一注入口注入的气体连通。10.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述血管内皮细胞与从第二注入口注入的包括培养液的流体连通。11.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述pH测定传感器为测定pH的传感器。12.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：所述气体分压测定传感器为测定氧气分压pO2的传感器。13.根据权利要求1所述的一种模拟肺组织的微流控系统，其中：
所述pH测定传感器为实时测定pH的传感器；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹永再，朴美英，鱼夽映，
申请(专利权)人：首尔大学校医院，
类型：发明
国别省市：