Clément Quintard, Emily Tubbs, Gustav Jonsson, et al. | Nature Communications 2024 | DOI: 10.1038/s41467-024-45710-4

微流控平台整合功能性血管化类器官芯片 — 精准灌流推动类器官成熟与药筛革新

A Microfluidic Platform Integrating Functional Vascularized Organoids-on-Chip

#微流控芯片 #血管化类器官 #类器官芯片 #灌流培养 #NatureCommunications #胰岛球体 #iPSC血管器官

核心问题

类器官在体外培养中如何长期存活而不发生核心坏死？现有血管化类器官方案为什么难以兼顾通量、可重复性与生理相关性？能否用一套简洁的微流控平台同时实现三维组织捕获、内皮网络生成与功能性灌流？iPSC 来源的血管器官（BVO）与微流控 HUVEC 床之间的吻合是自发发生的还是可以工程化引导？灌流+血管化能否真正提升类器官的功能指标（如胰岛球的葡萄糖刺激胰岛素分泌）？

一、研究背景与动机

三维细胞聚集体——包括球体（spheroid）、类器官（organoid）、肿瘤球（tumoroid）乃至组织外植体——已经成为体外模拟器官发育、疾病机制与药物反应的核心工具。但这些结构的尺寸一旦超过 400 μm，氧气与营养物质的扩散极限就成为硬约束，中心坏死不可避免。体内实验中血管自然长入提供代谢支持，而体外长期培养通常依赖将类器官移植到小鼠体内以获得功能性血管灌注——代价是高昂的动物成本、有限的通量、以及物种间差异带来的转化障碍。

工程化的"血管化类器官芯片"概念由此应运而生：将内皮细胞与支持细胞混入水凝胶，种入微流控芯片的中央腔室，通过侧通道持续灌注培养基。这一思路在过去十年取得了大量进展，但仍存在两个结构性短板：其一是芯片材料多为 PDMS，疏水小分子被吸附、长期培养稳定性差；其二是流体驱动多依靠静水压或摇摆平台，难以精准复现体内脉动、压力调制与剪切应力梯度。

针对这两点，研究团队开发了一套基于环烯烃共聚物（COC）的芯片平台，配合创新的 U 形水力学陷阱（U-cup hydrodynamic trap），意在用单一进液口、单一操作流程完成水凝胶装载、组织捕获、内皮衬层形成与长期灌流，并在多个生物学体系（间充质球体、iPSC 来源血管器官、人胰岛球体）中验证其有效性。

二、核心发现一：一体化微流控器件设计——从材料到捕获机制

做了什么

• 材料选择：选用环烯烃共聚物（COC）作为芯片基底，替代传统 PDMS。COC 具备低自发荧光、优异化学耐受性、低药物吸附、可批量注塑成型等优点，特别适合长时程培养与高内涵药物筛选。
• 多通道并行结构：单张芯片（84 mm × 54 mm）集成 10 条相同的微通道，配合 10 通道注射泵同步驱动（图 1a–c）。
• U 形陷阱设计：每条微通道为蛇形回路（Path B，主路），并联一条 U 形杯状微腔（Path A，捕获位）。未占用时，陷阱的水力学阻力 R₁ 显著低于主路 R₂，因此细胞聚集体被优先引导进入 U 形杯内，实现精准定位。
• 气动装载协议：通过同一进液口依次推注（i）含类器官+内皮细胞的水凝胶前体、（ii）空气、（iii）培养基。注入空气的流速 Q = 300 µl/min。空气将多余凝胶推出陷阱，同时由于 Landau–Levich–Bretherton 效应，在通道方角处留下一层薄凝胶，为后续内皮化提供基底。
• 陷阱尺寸可调：血管器官（Ø≈600 μm）使用 300×800 μm U 杯；间充质/胰岛球（Ø≈300 μm）使用 200×400 μm U 杯。整套装载流程可在室温操作、约 10 秒内完成，捕获效率接近 100%。

发现什么

• 装载过程对类器官形态几乎无损伤（球形保持完整）。
• U 杯内凝胶依靠毛细力维持位置，将类器官与通道壁隔离，避免物理压迫。
• 芯片角落的薄凝胶层为 HUVEC 单层形成提供了天然的"轨道"，使整条微通道可被内皮完整衬覆。
• 装配方阵中陷阱可串联扩展，支持高通量、多类型组织并行研究。

说明什么

• 该器件通过流体力学而非机械卡扣完成"捕获—凝胶定位—内皮衬层"三步合一，把传统芯片中最棘手的凝胶处理步骤简化为一次气动注射。
• COC+注射泵组合克服了 PDMS 系统的药物吸收短板，并使单通道可维持 1 μl/min 灌流长达 2 周（使用 20 ml 注射器）。
• 在材料-结构-操作的三个维度同时实现"用户友好"，为器官芯片的工业化、标准化、跨实验室复现提供了样板。

图 1 | 微流控芯片设计概览（10 通道并行、U 形陷阱、气动装载协议、Matrigel 内肺器官培养）

三、核心发现二：血管网络构建、功能性吻合与可控灌流

做了什么

• 间充质球体验证：将人成纤维细胞 + GFP 标记 HUVEC 形成的混合球体（mesenchymal spheroid）置入芯片，部分条件下在水凝胶中额外混入 RFP-HUVEC 以构建外围"内皮床"。
• 血管生成量化：用 ImageJ 血管生成分析插件（Angiogenesis Analyzer）统计静态 vs 灌流条件下的节点数（junctions）、网格数（meshes）、片段数（segments）和总片段长度。
• 吻合追踪：GFP-HUVEC（球内）+ RFP-HUVEC（凝胶内）双色系统实时观察两类内皮细胞间的相互作用；第 7–13 天记录血管化进程。
• 灌流功能验证：第 13 天注入 1 μm 荧光微珠（Q⁺ = 10 μl/min），追踪其穿过网络的轨迹，并通过像素计数评估网络各区域被灌流的均匀程度。
• 物理参数范围：报告了网络内的流速 v = 100–7500 μm/s、剪切率 γ̇ = 25–2000 s⁻¹，覆盖了从毛细血管到小动脉/小静脉的生理范围。

发现什么

• 灌流条件下的血管节点数、网格数、片段数、总长度分别比静态增加 4.4×、6.5×、5.0×、4.8×，均有显著差异（图 2a–c）。
• 第 3 天即可见内皮初步组织化，第 7 天形成三维网络结构，第 13 天保持稳定。
• RFP-HUVEC 与 GFP-HUVEC 之间的吻合自发发生，荧光共定位证明跨陷阱的网络连通（图 2d）。
• 微珠追踪显示：路径 A（主灌注方向）流速较高，但微珠同样进入陷阱附近的内皮网络，且分布均匀（图 2e–g），证明血管床已具备"可灌流"功能。

说明什么

• 单纯的流体剪切即可驱动间充质球体向血管样结构分化，无需外源 VEGF 高浓度刺激。
• 微流控芯片中的"陷阱内血管"和"凝胶内血管床"不是相互隔离的，而是可以自发吻合成连续网络——这意味着通过简单共培养就能获得多尺度、分级化的血管层级（arteriole–venule–capillary）。
• 该平台首次实现"血管器官内血管"和"芯片工程血管"之间的功能性灌注吻合，为真正的"血管化类器官芯片"建立操作标准。

图 2 | 间充质球体在静态 vs 灌流下的血管生成量化与双色吻合

四、核心发现三：iPSC 血管器官（BVO）与胰岛球体的功能增强

做了什么

• BVO 来源：按 Wimmer 等人方案，将 hiPSC（NC8 系）在 AggreWell 板中分化为三维血管器官，15 天后取 Ø ≈ 500–600 μm 的 BVO 上芯片。
• 多组对照设计：BVO 与胰岛球均在四种条件下培养——
  1. 静态 + 无血管化
  2. 静态 + 血管化
  3. 灌流 + 无血管化
  4. 灌流 + 血管化
• BVO 表征：芯片上培养 10 天后进行免疫荧光（CD31、ZO-1、VE-cadherin、PDGFRβ）与 RNA-seq；将 BVO 转录组与小鼠体内成熟 BVO 的 scRNA-seq 参考数据集进行半监督分类。
• 胰岛球体功能：在线灌注高低糖溶液（glucose stimulation），收集灌出液，ELISA 测定胰岛素浓度，计算刺激指数（SI = 高糖/低糖）。
• 类器官大小测量：以拟合椭圆的短轴和长轴均值作为尺寸指标，比较第 0 天与第 10 天的生长率。

发现什么

• BVO 生长：灌流 + 血管化条件下 BVO 体积增长显著高于其他三组，ECM 重塑活跃、芯片边缘可见黑色细胞外基质沉积（图 6a–b）。
• 血管生成参数：灌流组的节点、网格、片段数均显著高于静态组（图 6c）。
• 转录组分析：火山图与 GO 富集显示，"灌流+血管化"上调了大量与 ECM 组织、血管发育、细胞外基质重塑相关的基因；与体内成熟 BVO 的参考转录组的相似度显著提高（图 6e–h）。
• 胰岛球功能：灌流 + 血管化组的胰岛素分泌量与刺激指数均显著高于其他三组（图 7c–d），刺激指数均值升高约 2 倍（具体倍数依据 P 值组间对比给出），且低糖与高糖分泌差距更明显，证明葡萄糖响应更接近生理。

说明什么

• 在该平台上，血管化与灌流并非"锦上添花"，而是从根本上提升类器官的成熟度与功能输出。
• 转录组与体内 BVO 的高度相似性表明，芯片血管化培养有潜力替代动物移植，成为更接近生理的成熟方案。
• 胰岛球的功能增强直接证明该平台对代谢类器官的药筛与疾病建模价值——例如可定量评估 β 细胞响应、糖尿病药物或糖毒性效应。
• 这一发现把"血管化类器官芯片"从概念验证推进到功能验证阶段，为后续高通量疾病建模、个性化药物筛选、毒理学评估奠定了方法学基础。

图 3 | BVO-on-chip 的 CD31/ZO-1/VE-cadherin/PDGFRβ 表达与芯片培养轨迹

图 4 | 微珠流过 3D HUVEC 网络的共聚焦证据与定量轨迹

图 5 | HUVEC 床与 BVO 血管之间的层级化吻合与血管直径量化

图 6 | 灌流+血管化条件下 BVO 生长、ECM 重塑与转录组成熟度

图 7 | 灌流+血管化条件下胰岛球胰岛素分泌与葡萄糖刺激指数

五、讨论与意义

1. 技术维度——把"复杂操作"折叠成"一个动作"

传统器官芯片流程往往涉及多步手工凝胶操作、特氟龙管连接与频繁换液，每一步都增加了污染与失败概率。这套平台用"一个进液口、三步推注"的协议把所有步骤折叠起来，配合水力学陷阱与毛细定位，将装载时间压缩到约 10 秒。这对高通量、跨实验室复现、对工业用户（如 CRO、制药公司）尤其重要。

2. 生物维度——多类型组织在同一平台上工作

间充质球体、iPSC-BVO、胰岛球，乃至 Matrigel 中的肺器官，全部在同一协议下工作。意味着只要调整陷阱尺寸与水凝胶配方，研究者就能把这套平台"翻译"到心、肝、肾、脑、肿瘤等几乎任何类器官模型上。

3. 转化维度——通往标准化药筛的桥梁

类器官+血管化+在线灌流的组合，使其可以：

• 在同一芯片内连续施加高低糖、药物刺激、剪切应力变化
• 通过在线出口收集分泌物做 ELISA、质谱、单细胞测序
• 通过微珠或荧光示踪剂实时监测血管通透性变化
• 与现有注射泵、自动化显微镜、机器人操作系统无缝对接

4. 现存局限

• 水凝胶装载前的细胞损耗对稀有细胞（如 iPSC 来源血管细胞）是一笔不小成本。
• 通道壁凝胶厚度理论上可调，实际操控需精确建模 Landau–Levich–Bretherton 效应。
• 目前主要使用异体内皮（HUVEC），与自体 iPSC 衍生内皮的组合尚未验证完全。

这些局限并不削弱方法的普适性，反而为下一代器件迭代指明了方向：例如集成可调凝胶厚度的微阀、使用 isogenic iPSC 内皮做"全自体"血管化、以及多陷阱串联构建"器官串"。

六、与我们的产品

下表评估了与本研究微流控血管化平台可能互补的产品组合，按技术协同度排序，仅列出 3 星及以上的产品。

，未列入表中。前者侧重低剪切悬浮培养，后者聚焦神经/心脏电生理信号，与当前血管化平台直接对接的工程改造较多。

七、参考文献

1. Wimmer RA, Leopoldi A, Aichinger M, et al. Human blood vessel organoids as a model of diabetic vasculopathy. Nature. 2019;565(7740):505-510. DOI: 10.1038/s41586-018-0858-y
2. Huh D, Matthews BD, Mammoto A, et al. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010;328(5986):1662-1668. DOI: 10.1126/science.1188302
3. Bhatia SN, Ingber DE. Microfluidic organs-on-chips. Nat Biotechnol. 2014;32(8):760-772. DOI: 10.1038/nbt.2989
4. Qian X, Nguyen HN, Song MM, et al. Brain-region-specific organoids using mini-bioreactors for modeling ZIKV exposure. Cell. 2016;165(5):1238-1254. DOI: 10.1016/j.cell.2016.04.032
5. Landau L, Levich B. Dragging of a liquid by a moving plate. Acta Physicochim URSS. 1942;17:42-54.（Landau–Levich 效应原文，DOI 不适用，作为经典文献备索）

八、转发语

一套芯片搞定"捕获+凝胶+内皮+灌流"四件事，把血管化类器官从动物移植的束缚里彻底解放了出来 🧠 关键数据：灌流条件下血管节点数 4.4× 增长、BVO 转录组与体内成熟度对齐、胰岛球刺激指数显著提升 ⚡ 最香的是装配方阵 + 一次性气动协议，对高通量药筛的工业化场景极其友好。

联系人：李东伟 / 📞 18045130660 / 🌐 https://www.biokingdom.top