骨髓芯片 Bone marrow–on–a–chip-骨髓造血干细胞的体外生物生理学
目前有关于造血干细胞的体外模型无法重现活体骨髓的细胞多样性和复杂特征及功能，而与血液系统相关的大多数基因转录研究都是在活的动物体内进行的。本文描述了一种“骨髓芯片”方法可以实现在体外造血细胞微环境条件下培养活体骨髓。首先在体内工程化生成新的骨骼，再将其移植到体外充满培养基的微流控芯片中。工程骨髓(engineered bone marrow, eBM)能在一周内保持造血干性和祖细胞之间比例正常。 eBM模型可进行器官级的骨髓毒性反应和药物的保护作用的研究，而常规骨髓培养方法则不具备这样的功能。这种仿生微型装置提供了一种在体外分析骨髓中药物反应和毒性，并可以用于体外造血和血液疾病研究的新方法。
骨髓细胞微环境包括一系列复杂的维持造血系统可变性和功能的必须构成部分：化学分子、结构和物理刺激因子等。此造血细胞微环境调节着造血干细胞(hematopoietic stem cells, HSCs)在自我更新和分化，可制造成熟造血细胞以在体外重建拥有天然骨髓结构和功能的人造骨髓，如果能对其进行培养，则可以成为研究造血和测试新疗法的有力平台。
然而，已经证明难以在体外重现完整功能的造血细胞形成和维持所需的复杂骨髓微环境。虽然已经开发了各种体外系统来维持和扩大培养人源干细胞和祖细胞，但是目前还没有在体外重建或研究完整骨髓微环境的方法。因此，造血研究通常依靠动物模型来确保完整骨髓微环境的存在，从保证正常的生理骨髓反应。此外，虽然已经报道骨髓能够在体内工程化，但是在体外工程骨髓培养方法并没有。为了弥合体内和体外系统之间的功能差异，研究者开发了一种生产包含人造骨和活骨髓的骨髓培养系统方法。首先在小鼠中产生骨髓，然后将其全部移植并在体外保持在微流体装置内，接下来的方法如图所示。为了探索可以整体移植人造骨髓的可能性，将具有中心圆柱形空腔（直径1毫米，高4毫米）的聚二甲基硅氧烷（PDMS）装置微型化，两端具有开口，如图1a中所示。我们的目标是设计可将填充植入物中的圆柱形内的类骨骼装置，使其可以容易被全部去除，并插入到含有体外培养的类似体内形状的室的微流控系统中（图1a，b）。 这些初步研究导致在皮下植入4-8周后，在PDMS装置内形成包含骨髓隔层的新骨。组织学分析显示，骨髓主要由脂肪构成，并且即使在植入后8周（图1c），其表现出低水平的造血细胞贡献。组织学分析证实骨髓周围厚度相对均匀的皮质骨存在，造血细胞占主导地位，脂肪细胞少（图1c）。 eBM的组织学切片与完整股骨切片的比较结果说明，eBM的形态几乎与天然骨髓的形态相同（图1c）。
随后还对工程骨髓的进行了体外培养、表征分析、并建立了体外辐射模型来进一步研究次骨髓芯片的功能。通过此种方法能够产生同天然骨骼类似构造和组成的小梁骨，体重了一种制作预定尺寸和形状的骨骼的方法，并且可以作为体外研究骨生物学的样本，重塑了病理生理学的研究方法。
通过此种方法能够产生同天然骨骼类似构造和组成的小梁骨，体重了一种制作预定尺寸和形状的骨骼的方法，并且可以作为体外研究骨生物学的样本，重塑了病理生理学的研究方法。因此，骨髓芯片是从血液学，肿瘤学和药物发现到组织工程领域加速发现和开发广泛生物医学的有力方法。
（文章来源:文章作者陈有灵犀 转自公众号 产业化微流控 本篇文章内容源于emulate公司发表在Nature Methods Vol. 11 No. 6的文章 转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）