骨髓芯片 Bone marrow–on–a–chip-骨髓造血干細(xì)胞的體外生物生理學(xué)
目前有關(guān)于造血干細(xì)胞的體外模型無法重現(xiàn)活體骨髓的細(xì)胞多樣性和復(fù)雜特征及功能，而與血液系統(tǒng)相關(guān)的大多數(shù)基因轉(zhuǎn)錄研究都是在活的動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行的。本文描述了一種“骨髓芯片”方法可以實(shí)現(xiàn)在體外造血細(xì)胞微環(huán)境條件下培養(yǎng)活體骨髓。首先在體內(nèi)工程化生成新的骨骼，再將其移植到體外充滿培養(yǎng)基的微流控芯片中。工程骨髓(engineered bone marrow, eBM)能在一周內(nèi)保持造血干性和祖細(xì)胞之間比例正常。 eBM模型可進(jìn)行器官級(jí)的骨髓毒性反應(yīng)和藥物的保護(hù)作用的研究，而常規(guī)骨髓培養(yǎng)方法則不具備這樣的功能。這種仿生微型裝置提供了一種在體外分析骨髓中藥物反應(yīng)和毒性，并可以用于體外造血和血液疾病研究的新方法。
骨髓細(xì)胞微環(huán)境包括一系列復(fù)雜的維持造血系統(tǒng)可變性和功能的必須構(gòu)成部分：化學(xué)分子、結(jié)構(gòu)和物理刺激因子等。此造血細(xì)胞微環(huán)境調(diào)節(jié)著造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cells, HSCs)在自我更新和分化，可制造成熟造血細(xì)胞以在體外重建擁有天然骨髓結(jié)構(gòu)和功能的人造骨髓，如果能對(duì)其進(jìn)行培養(yǎng)，則可以成為研究造血和測(cè)試新療法的有力平臺(tái)。
然而，已經(jīng)證明難以在體外重現(xiàn)完整功能的造血細(xì)胞形成和維持所需的復(fù)雜骨髓微環(huán)境。雖然已經(jīng)開發(fā)了各種體外系統(tǒng)來維持和擴(kuò)大培養(yǎng)人源干細(xì)胞和祖細(xì)胞，但是目前還沒有在體外重建或研究完整骨髓微環(huán)境的方法。因此，造血研究通常依靠動(dòng)物模型來確保完整骨髓微環(huán)境的存在，從保證正常的生理骨髓反應(yīng)。此外，雖然已經(jīng)報(bào)道骨髓能夠在體內(nèi)工程化，但是在體外工程骨髓培養(yǎng)方法并沒有。為了彌合體內(nèi)和體外系統(tǒng)之間的功能差異，研究者開發(fā)了一種生產(chǎn)包含人造骨和活骨髓的骨髓培養(yǎng)系統(tǒng)方法。首先在小鼠中產(chǎn)生骨髓，然后將其全部移植并在體外保持在微流體裝置內(nèi)，接下來的方法如圖所示。為了探索可以整體移植人造骨髓的可能性，將具有中心圓柱形空腔（直徑1毫米，高4毫米）的聚二甲基硅氧烷（PDMS）裝置微型化，兩端具有開口，如圖1a中所示。我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)可將填充植入物中的圓柱形內(nèi)的類骨骼裝置，使其可以容易被全部去除，并插入到含有體外培養(yǎng)的類似體內(nèi)形狀的室的微流控系統(tǒng)中（圖1a，b）。 這些初步研究導(dǎo)致在皮下植入4-8周后，在PDMS裝置內(nèi)形成包含骨髓隔層的新骨。組織學(xué)分析顯示，骨髓主要由脂肪構(gòu)成，并且即使在植入后8周（圖1c），其表現(xiàn)出低水平的造血細(xì)胞貢獻(xiàn)。組織學(xué)分析證實(shí)骨髓周圍厚度相對(duì)均勻的皮質(zhì)骨存在，造血細(xì)胞占主導(dǎo)地位，脂肪細(xì)胞少（圖1c）。 eBM的組織學(xué)切片與完整股骨切片的比較結(jié)果說明，eBM的形態(tài)幾乎與天然骨髓的形態(tài)相同（圖1c）。
隨后還對(duì)工程骨髓的進(jìn)行了體外培養(yǎng)、表征分析、并建立了體外輻射模型來進(jìn)一步研究次骨髓芯片的功能。通過此種方法能夠產(chǎn)生同天然骨骼類似構(gòu)造和組成的小梁骨，體重了一種制作預(yù)定尺寸和形狀的骨骼的方法，并且可以作為體外研究骨生物學(xué)的樣本，重塑了病理生理學(xué)的研究方法。
通過此種方法能夠產(chǎn)生同天然骨骼類似構(gòu)造和組成的小梁骨，體重了一種制作預(yù)定尺寸和形狀的骨骼的方法，并且可以作為體外研究骨生物學(xué)的樣本，重塑了病理生理學(xué)的研究方法。因此，骨髓芯片是從血液學(xué)，腫瘤學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)到組織工程領(lǐng)域加速發(fā)現(xiàn)和開發(fā)廣泛生物醫(yī)學(xué)的有力方法。
（文章來源:文章作者陳有靈犀 轉(zhuǎn)自公眾號(hào) 產(chǎn)業(yè)化微流控 本篇文章內(nèi)容源于emulate公司發(fā)表在Nature Methods Vol. 11 No. 6的文章 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(qǐng)聯(lián)系刪除）