杜克大学(Duke University)的生物医学工程师开发了一种基于丝绸的超薄薄膜，可用于器官芯片模型，以更好地模拟体内细胞和组织的自然环境。当用于肾脏器官芯片平台时，这种膜帮助组织生长，以重建健康和患病肾脏的功能。

　　通过允许细胞更紧密地生长，这种新膜帮助研究人员更好地控制任何器官的关键细胞和组织的生长和功能，使他们能够更准确地建立各种疾病的模型并测试治疗方法。

　　这项研究发表在6月4日的《科学进展》杂志上。

　　器官芯片(OOC)系统通常比USB闪存盘还小，它已经彻底改变了研究人员研究人体潜在生物学的方式，无论是创建组织结构的动态模型，研究器官功能还是建模疾病。这些平台的设计是为了刺激细胞生长和分化，以一种最好的方式模仿感兴趣的器官。研究人员甚至可以用人类干细胞填充这些工具，以生成用于临床前研究的患者特异性器官模型。

　　但随着技术的发展，芯片设计上的问题也出现了——最明显的是用于制造膜的材料，这种膜形成了特殊细胞生长的支撑结构。这些膜通常由不可降解的聚合物组成，在细胞和组织之间形成永久屏障。虽然人体器官的细胞外膜通常不到一微米厚，但这些聚合物膜的厚度从30到50微米不等，阻碍了细胞之间的交流，限制了细胞的生长。

　　杜克大学生物医学工程和医学助理教授萨米拉·穆萨说:“我们想处理这些芯片中的组织，就像病理学家处理活检样本甚至病人的活组织一样，但这对标准聚合物膜来说是不可能的，因为额外的厚度阻止了细胞形成更接近人体组织的结构。”“我们想，‘如果我们能得到一种基于蛋白质的材料，它能模仿这些天然膜的结构，而且足够薄，让我们可以切片和研究，那不是很好吗?’”

　　这个问题让Musah和George (Xingrui) Mou (Musah实验室的博士生，也是论文的第一作者)想到了丝素蛋白，这是一种由蚕产生的蛋白质，可以通过电子纺成膜。在显微镜下观察，丝素蛋白看起来就像意大利面或杰克逊·波洛克的画作。这种多孔材料由长而缠绕的纤维制成，更好地模仿了人体器官中发现的细胞外基质的结构，它以前被用来制造用于伤口愈合等目的的支架。

　　毛解释说:“丝素蛋白使我们能够将膜厚度从50微米降低到5微米或更少，这使我们更接近你在活生物体中看到的厚度。”

　　为了测试这种新膜，Musah和Mao将这种材料应用到他们的肾脏芯片模型上。这个OOC平台由透明塑料制成，大约四分之一的大小，旨在类似于人类肾脏的横截面——特别是肾小球毛细血管壁，这是器官中的关键结构，由血管簇组成，负责过滤血液。

　　一旦膜就位，研究小组将人类诱导多能干细胞衍生物添加到芯片中。他们观察到这些细胞能够通过超薄膜发送信号，这有助于细胞分化成肾小球细胞、足细胞和血管内皮细胞。该平台还触发了生长组织中内皮开孔的发育，这些孔允许细胞层之间的流体通过。

　　在测试结束时，这些不同类型的肾细胞已经组装成肾小球毛细血管壁，并且可以有效地过滤分子的大小。

　　Musah说:“新的微流控芯片系统能够模拟体内样组织-组织界面，并诱导特化细胞的形成，如开孔内皮细胞和成熟的肾小球足细胞，这对于促进我们对人类器官发育、疾病进展和治疗发展的理解具有重要的潜力。”

　　随着他们继续优化他们的模型，Musah和同事们希望利用这项技术更好地了解肾脏疾病背后的机制。尽管影响了超过15%的美国成年人，但研究人员缺乏有效的疾病模型。患者通常在肾脏严重受损后才被诊断出来，他们通常需要接受透析或接受肾移植。

　　“利用这个平台开发肾脏疾病模型可以帮助我们发现疾病的新生物标志物，”毛说。“这也可以用来帮助我们筛选几种肾脏疾病模型的候选药物。这种可能性非常令人兴奋。”

　　“这项技术对所有器官芯片模型都有影响，”Musah说。“我们的组织是由膜和界面组成的，所以你可以想象使用这种膜来改善其他器官的模型，比如大脑、肝脏、肺或其他疾病状态。这就是我们平台的真正力量所在。”

　　这项工作得到了生物医学研究Whitehead奖学金、杜克大学医学系主席研究奖、MEDx损伤或损伤修复生物力学试点资助、Burroughs Wellcome基金PDEP职业过渡特设奖、杜克创新与创业倡议杜克孵化基金、基因技术研究奖、乔治·m·奥布莱恩肾脏中心试点资助(P30 DK081943)、NIH主任新创新者资助(DP2DK138544)的支持。

　　引用:“超薄膜介导人体肾脏芯片的组织特异性形态发生和屏障功能”，Xingrui Mou, Jessica Shah, Yasmin Roye, Carolyn Du, Samira Musah。科学的进步。2024年6月4日。DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adn2689