在微流控芯片上模拟神经支配的表皮样层
生物工程师和组织工程师打算重建具有生理相关细胞和基质结构的皮肤等效物，用于基础研究和工业应用。皮肤病理生理学取决于皮肤神经串扰，因此研究人员必须在实验室中开发可靠的皮肤模型，以评估表皮角质形成细胞和感觉神经元之间的选择性通信。
在现在发表在Nature Communications上的一份新报告中，Jinchul Ahn和韩国机械工程，生物融合工程以及治疗和生物技术的研究团队在微流控芯片上提出了一个三维的，神经支配的表皮角质形成细胞层，以创建感觉神经元 - 表皮角质形成细胞共培养模型。生物模型保持了组织良好的基底-基底上分层，并增强了生理相关解剖学表征的屏障功能，以显示实验室成像的可行性，以及功能分析以改进现有的共培养模型。该平台非常适合生物医学和制药研究。
皮肤：人体最大的感觉器官
皮肤由复杂的感觉神经纤维网络组成，形成具有机械感受器、温度感受器和伤害感受器的高度敏感的器官。这些神经元亚型位于背根神经节中，密集且明显地支配在皮肤层中。皮肤中的感觉神经纤维也表达和释放神经介质，包括神经肽，以向皮肤发出信号。神经对感觉和其他生物皮肤功能的生物学意义已经与几种皮肤病形成了物理和病理相关性，使这些仪器适合体内模型来模拟皮肤 - 神经相互作用。
为了概括微生理结构，Ahn及其同事使用微流体模型在实验室中共同培养和分析角质形成细胞和感觉神经元的3D相互作用。他们应用斜率 - 空气液体界面提供空气接触，以成功分化表皮细胞以进行角质形成细胞发育，并使用多通道水凝胶系统模拟细胞/亚细胞排列和细胞 - 细胞 - 基质相互作用以形成生理相关的表皮表面。研究人员在微流控芯片上模拟了表皮角质形成细胞感觉神经元串扰，并诱导高血糖状况以模拟急性糖尿病，以研究人体皮肤病理状况的潜在机制。
用于角质形成细胞-感觉神经元共培养的芯片皮肤
Ahn和团队通过设计和制造一种掺入水凝胶的微流体芯片来模仿表皮解剖结构。该构建体包含四个细胞培养室和神经元分析单元，以及角质形成细胞的表皮通道。他们通过将角质形成细胞加载到生长在细胞外基质水凝胶上的表皮通道中来促进微观生理学上准确的轴突 - 角质形成细胞相互作用，以促进与轴突的相互作用，同时防止与神经元体细胞的相互作用。细胞区室化允许它们在单个设备上生长两个独立的细胞，以维持细胞身份和功能。该团队用生理学相关的细胞外基质水凝胶填充每个轴突引导的微通道，不含成纤维细胞，以促进微芯片中的各种成像和生化功能测定。
微调多组分微流控芯片中的轴突模式
研究人员通过优化细胞外基质成分(包括背根神经节、感觉神经元和角质形成细胞)的组成和浓度，将来自体细胞通道通过水凝胶进入角质形成细胞层的神经纤维图案化。该团队使用三种水凝胶条件组合来培养芯片上的感觉神经元，其中包括有或没有层粘连蛋白的I型胶原蛋白的变化。研究小组从大鼠中分离原代细胞，并将它们加载到体细胞通道中并培养1周。微流控芯片中的轴突穿过细胞外基质通道，到达表皮通道，形成仅轴突网络层。轴突通过材料排列形成轴突/表皮隔室 - 由此产生的3D微通道允许束状结构的发展形成密集的轴突网络。
气液界面的表皮发育
仪器上与底层细胞外基质相邻的基底角质形成细胞形成真皮-表皮连接，细胞外基质通过细胞-细胞外基质相互作用将机械和化学信号介导到角质形成细胞。通过整合斜面-空气液体界面，团队加速了角质形成细胞的增殖和分化，构建了表皮角质形成细胞层。他们通过在微流体芯片中共培养表皮角质形成细胞和感觉神经元来重新覆盖它们之间的物理接触，以个体细胞类型的方式了解它们的结构和功能。然后，他们使用组织学观察表皮样层的特征，并成功地概括了神经支配表皮的细胞组织学。
功能整合和芯片模拟高血糖
微流控芯片上的感觉神经元神经支配过程通过增加表皮厚度和分化率来影响表皮发育。该团队考虑了该模型的结构和功能相似性，包括发育中的表皮样层中角质形成细胞和神经元之间的功能性串扰。研究人员通过研究机械感觉离子通道的表达来检查伤害性转导(疼痛转导)，例如在局部应用的辣椒素的特定触发下瞬时受体电位香草素1和4(TRPV1和TRPV4)。
为了了解高血糖诱导的糖尿病神经病变的影响，他们探索了糖尿病神经病变相对未知的病因，其中皮肤微环境下表皮内神经纤维的功能障碍可能在疾病期间发挥重要作用。研究小组在微流控芯片上模拟了类似高血糖症的状况，以检查病理生理机制;结果表明在高葡萄糖条件下屏障功能受损。这些结果模拟了糖尿病患者皮肤的易感性，为急性高血糖或糖尿病前期提供了可能的机制。
展望
通过这种方式，Jinchul Ahn及其同事研究了具有神经支配表皮样层的3D微流体共培养系统中皮肤微环境各种细胞之间的复杂通信和相互作用。研究人员结合在芯片上的共培养参数允许形成有组织的、神经支配的角质形成细胞层，以开发芯片上的皮肤仪器。
科学家们形成了强大的微流体方案，以概括实验室中的仿生环境，并模拟高血糖症以了解糖尿病神经病变病因学期间的病理生理变化。他们设想将皮肤模型与微流控芯片中的其他细胞成分集成在一起，以实现高通量药物筛选。