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动态流体剪切力作为肠道芯片模型中细胞形态与极化的关键参数研究
作者及机构
本研究由Chiara A. M. Fois（悉尼大学化学与生物分子工程学院、悉尼先进食品工程中心）、Aaron Schindeler（悉尼大学化学与生物分子工程学院、韦斯特米德儿童医院生物工程与分子医学实验室）、Peter Valtchev和Fariba Dehghani（通讯作者，悉尼大学化学与生物分子工程学院）合作完成，发表于Biomedical Microdevices期刊2021年第23卷，2021年10月16日在线发布。
学术背景
研究领域：本研究属于器官芯片（organ-on-a-chip）与微流控技术领域，聚焦于肠道芯片（gut-on-a-chip）模型中流体剪切力对肠道细胞极化与形态的影响。
研究动机：现有肠道芯片模型多采用恒定流速，但细胞在分化过程中形态（如微绒毛形成）会动态变化，导致剪切力（shear stress, τ_c）随之改变。这种变化可能影响细胞极化效率或造成损伤。
科学问题：如何通过动态调节流速维持恒定的细胞剪切力，以优化Caco-2细胞（人结肠癌细胞系）的极化过程并减少试剂消耗？
研究目标：
1. 通过计算流体动力学（CFD）模拟预测不同细胞形态下的剪切力变化；
2. 设计动态流速方案，验证其对细胞极化、微绒毛形成及基因表达的影响；
3. 比较动态流速与恒定流速的差异，评估其应用潜力。
研究流程
1. 肠道芯片设计与制备
- 芯片设计：通过AutoCAD设计单通道微流控芯片，通道尺寸为1 mm（宽）×12 mm（长）×150 μm（高），入口/出口直径3 mm。
- 材料与工艺：采用软光刻技术，以SU-8光刻胶制作硅模板，浇注聚二甲基硅氧烷（PDMS）成型，等离子处理后与玻璃盖片键合。
- 创新点：芯片结构简化，适合高通量实验，且通过CFD模拟优化流体分布。
2. 细胞培养与实验设计
- 细胞系：Caco-2 HTB-37™细胞，接种密度2×10^5 cells/cm²，培养基为含10%胎牛血清的DMEM。
- 实验分组：
- 恒定流速组：29 μL/hr（对应τ_w=0.02 dyne/cm²）持续8天；
- 动态流速组：前5天29 μL/hr，后3天降至18 μL/hr（τ_w=0.0124 dyne/cm²）；
- 静态对照组：无流动，每日手动换液。
3. CFD模拟与剪切力预测
- 模型构建：基于ANSYS Fluent模拟三种细胞形态（小型、中型、高柱状），分别对应分化初期、中期和极化完成阶段。
- 关键发现：
- 高柱状细胞（极化后）的τ_c比“凸起模型”（bulge model）预测值高4倍（τ_c≈0.09 dyne/cm²）；
- 动态流速可将τ_c稳定在0.05 dyne/cm²，接近小型细胞的初始值。
4. 细胞形态与功能分析
- 显微技术：
- 扫描电镜（SEM）：观察微绒毛密度与结构；
- 共聚焦显微镜：免疫荧光染色检测紧密连接蛋白（ZO-1）、微绒毛标记蛋白（villin）及粘蛋白（mucin-2）。
- 基因表达：通过微滴数字PCR（ddPCR）定量分化相关基因（如ALP1、VIL1、TJP1）。
5. 数据分析
- 统计方法：单因素ANOVA与Tukey多重比较检验（GraphPad Prism 8.4.3）；
- 细胞高度测量：ImageJ分析共聚焦Z-stack图像，量化单层细胞三维结构。
主要结果
CFD模拟验证动态流速必要性：
- 高柱状细胞的τ_c显著高于凸起模型预测值，支持动态调节流速以维持τ_c稳定的假设。
动态流速促进细胞极化：
- 形态学证据：动态流速组与恒定流速组均在8天内形成密集微绒毛和隐窝-绒毛结构（crypt-villi），而静态组无微绒毛；
- 蛋白标记：两组均高表达villin和mucin-2，且ZO-1分布均匀，表明紧密连接完整。
基因表达无显著差异：
- ALP1（肠碱性磷酸酶）、VIL1（微绒毛标记基因）在动态与恒定流速组表达量相近，提示动态流速未干扰分化进程。
试剂消耗优化：
- 动态流速后期降低18 μL/hr，减少培养基用量30%，且不影响细胞功能。
结论与价值
科学意义：
- 首次通过CFD模拟量化肠道芯片中细胞形态变化对τ_c的影响，推翻传统凸起模型的假设；
- 证明动态流速可维持τ_c稳定，为器官芯片的流体参数设计提供新范式。
应用价值：
- 药物筛选：动态流速降低试剂成本，适合高通量药物吸收测试；
- 个性化医疗：可扩展至患者来源细胞模型，模拟个体化肠道微环境。
研究亮点
方法创新：
- 结合CFD模拟与实验验证，建立“形态-剪切力-功能”关联模型；
- 开发动态流速协议，兼顾极化效率与经济性。
发现创新：
- 揭示高柱状细胞的τ_c被长期低估，需重新评估现有器官芯片的流体参数。
技术通用性：
- 动态流速策略可推广至其他器官芯片（如肝、肾），优化细胞微环境调控。
其他价值：本研究数据公开（补充材料），CFD模型代码可应要求提供，支持后续研究复现与拓展。