Advanced Materials | 基于水凝胶的气道管式，具可灌注内皮腔和外上皮化

慢性肺病是全球主要的死亡原因之一，但治疗选择仍然有限。肺部药物开发的一个主要障碍是缺乏能够重现肺部复杂性的临床前模型。虽然最新的气道芯片模型通过整合血管和细胞外基质（ECM）组件取得了进展，但这些主要限于平面配置。管状设计数量较少，但通常缺乏支持动态内皮-上皮相互作用的可灌注血管腔室。为弥补这一空白，我们引入了一种气道管，将工程化的 ECM（EnECM）水凝胶与管状熔体电写（MEW）支架整合在一起，该水凝胶调校以匹配肺组织刚性。MEW 增强 EnECM 水凝胶以实现动态培养，同时不影响细胞行为。管状 EnECM/MEW 构造将患者来源的原发人肺微血管内皮细胞嵌入 EnECM 水凝胶内，形成可灌注的内皮腔，而原发性人类支气管上皮细胞则在外层（外层）培养，形成面向外的气液界面（ALI）上皮。通过内皮腔脉冲灌，在维持 ALI 培养的同时，提供养分和机械信号（剪切应力和循环拉伸）。本研究共同建立了一个多功能的氢凝胶平台，用于下一代气道芯片模型，为临床前肺部研究和精准治疗开发开辟新机遇。
该研究以题为“Hydrogel-Based Airway-on-Tube With PerfusableEndothelial Lumen and Outward Epithelialization”发表在Advanced Materials上。

工程化气道-管状结构的概念性展示。该气道-管状结构由工程化细胞外基质（EnECM）水凝胶与管状熔融电写（MEW）支架整合而成。原代人肺微血管内皮细胞嵌入管状EnECM/MEW构建体中，而原代人支气管上皮细胞则培养于外表面（非腔面）。管腔内持续灌注培养液，非腔面暴露于空气中形成气-液界面（ALI）。通过蠕动泵进行可控灌注，可对细胞施加生理性的管腔剪切应力及周期性拉伸作用，从而模拟体内微环境。工程化细胞外基质（EnECM）的表征研究。(a) 细胞嵌入式EnECM水凝胶制备工艺示意图。(b) 通过压缩试验评估EnECM力学性能以测定杨氏模量，阴影区域用于杨氏模量计算。(c) EnECM孔隙率与溶胀率定量分析，(d) 采用 FITC -葡聚糖示踪剂（4 kDa和70 kDa）比较EnECM与纤维蛋白水凝胶的表观渗透性。(e) EnECM与纤维蛋白水凝胶在四周内的降解曲线。(f) 使用EA.hy926内皮细胞评估EnECM细胞相容性的流程图，附第2、3、4、5天的光学显微镜图像。(g) 第2-6天通过 WST -1法测定载细胞水凝胶的代谢活性，数值以最大观测值为基准（设为100%）。(h) 第2、4天活/死细胞定性定量分析（n=5；绿色：活细胞，红色：死细胞）。(i) 第5天固定载细胞EnECM水凝胶的F-肌动蛋白细胞骨架染色（绿色）。图(h)和(i)比例尺分别为320 µm 和210 µm 。数据以均值±标准差表示，图(d)、(e)、(h)数据采用非配对t检验分析。*p < 0.05，**p < 0.01。管状细胞嵌入式工程化细胞外基质（EnECM）与熔融电写入（MEW）支架的整合。(a) 制备流程：将细胞与EnECM前体溶液混合后，注入预先放置管状MEW支架的定制设计小瓶中。随后加入交联剂以引发MEW周围的凝胶化反应。将金属棒插入管腔形成中央通道，最终获得中空的EnECM/MEW复合结构。(b) (i) MEW支架的扫描电子显微镜（SEM）图像（侧视图与横截面视图）。比例尺：200 µm 。(ii) MEW管体与毫米参考标尺的对比照片。(c) 第0天管状EA.hy926负载EnECM/MEW复合结构的光学显微镜图像，以及第6天的免疫荧光（IF）成像显示F-肌动蛋白细胞骨架（绿色）与细胞核（蓝色）。比例尺：210 µm 。(d) 管腔内嵌细胞的横截面及正交z轴堆叠IF分析。内皮标志物CD31（洋红色）、F-肌动蛋白细胞骨架（绿色）及细胞核（蓝色）。比例尺：横截面200 µm ，正交/腔外50 µm 。

流动腔的设计与计算表征。(a) 本研究开发的流动腔示意图（上）及实验室照片（下）。该定制设计的灌注腔通过管状共培养模型的管腔灌注培养基，而腔外表面暴露于空气中，支持ALI条件下上皮细胞培养。通过蠕动泵实现的可控灌注可使细胞承受生理相关壁面剪切应力及周期性径向拉伸。(b) EnECM/MEW管状结构在浸没培养与ALI培养条件下，基于计算扩散模拟获得的葡萄糖浓度时间分辨曲线，展示48小时内不同流速下的营养物质转运情况。浓度值对应EnECM水凝胶内的最低葡萄糖水平。(c) 流速为0.5 mL·min⁻¹时，浸没培养与ALI条件下24小时后结构的纵向横截面等值线图（对应b图箭头所示位置）。(d) EnECM/MEW管状结构在灌注条件下（流速0.65 mL·min⁻¹，14次循环/分钟）的径向形变横向横截面模拟，展示单个收缩周期内随时间变化的细胞拉伸状态。(e) 三种不同灌注流速（0.1、0.65及1 mL·min⁻¹）下两个完整循环的径向拉伸模拟曲线，展示脉动流条件下管状结构经历的周期性机械拉伸。

参考消息：

DOI: 10.1002/adma.202523588