微流控技术在疾病建模和药物输送治疗中的应用

药物递送和治疗

病人通常服用药物进行治疗。在传统方法中，药物剂量大、毒性大，且经常出现副作用。药物递送系统旨在通过提高生物利用度和特异性来最大限度地减少细胞毒性。微流控设备也可以是易于控制、缩放和复制的药物递送平台。纳米技术的发展通过封装药物来促进药物的控制释放和靶向递送。虽然实验研究证明了药物递送系统的潜力，但开发患者可以使用的和安全性标准的临床试验需要很长时间。

微流控系统使我们能够控制药物递送系统的有效性。我们可以大致将药物递送系统分为基于载体的和非基于载体的。载体是通过用有机、无机和杂化分子包封药物而形成的。树状聚合物、胶束、脂质体、各种聚合物和金属纳米结构经常用于药物递送系统。不易溶于水的药物通过药物和聚合物复合物的结合而变得更易溶。然而，纳米载体的有效性因其尺寸、形状和物理/化学性质而异。这些靶向载体必须是可生物降解的、相容的，并且对刺激有反应。Doxil是美国食品药品监督管理局于1995年批准的第一种成功的聚乙二醇化脂质体载体，与阿霉素相比，其副作用更少，对肿瘤细胞的毒性更大。InFed是一种含有右旋糖酐的铁复合物，已用于治疗缺铁。另一种药物-聚合物复合物是Abraxane，一种用人白蛋白包裹的紫杉醇纳米颗粒。聚乙二醇化脂质纳米颗粒在递送RNA疗法方面也取得了成功，如Onpattro和Comirnaty。此外，可以将各种试剂连接到聚合物骨架或功能性侧基，以促进纳米颗粒的靶向和成像。用于颗粒制造的微流控系统分为单一、混合和全水乳液模板。虽然乳液、分散聚合和喷雾干燥等传统方法在颗粒生产中效果较差，但液滴和流式光刻、电流体动力学共喷涂、光刻、基于软光刻的印刷和微成型等技术被认为更具创新性。这些系统中的每个阶段都确保产生适当尺寸和形状的颗粒，以及所需的物理、化学和生物特性。通过这种方式，可用于开发具有复杂结构的颗粒，如核壳、多核壳、janus和多孔颗粒。使用各种方法，如聚合、离子交联和溶剂蒸发,从单分散液滴形成颗粒。药物靶标的化学结构必须是已经表征的大分子,如核酸、酶、蛋白质和脂质。因此，微流控系统也可用于新药发现。微流控系统不仅通过精确的流体控制来改善药物递送，而且还为临床使用前的药物测试提供了便利。将药物递送系统引导到所需靶点的第一个限制是体内系统、微环境和细胞水平的屏障。例如，椭球体、盘状纳米颗粒和纳米棒可以比球体更好地粘附在血管上。吸入纳米颗粒可以快速进入肺组织,避免外渗。

然而，粘液屏障可以通过较小的颗粒，而较大的颗粒会被过滤掉。受体介导的转运和葡萄糖转运蛋白等方法可用于跨越血脑屏障。研究发现，与正常药物相比，口服聚合物纳米颗粒对胃肠道更具活性。还开发了仅在特定pH和温度条件下释放药物的平台。癌症组织中增强的渗透性和滞留效应也利于药物的积累。药物的临床前测试可以通过用微流控系统模拟体内的屏障来实现。

疾病建模

人类疾病是由复杂的机制导致的，这些机制本质上很难了解，因为直接观察生物分子是有局限性的。因此，疾病建模方法对于理解疾病病理生理学和开发先进的治疗策略具有相当大的意义。二维细胞培养方法有一些缺点，包括细胞形态和极性变化的可能性，这可能会导致细胞外通讯中断。此外，二维细胞培养的单层结构可以不受限制地获得最佳的培养基、氧气和信号分子。值得注意的是，由于肿瘤的固有结构，癌症细胞在活体中的营养物质、氧气和信号分子的能力可能是可变的。另一方面，三维细胞培养平台通过模拟与患者体内环境近似的生理环境，提供了研究复杂相互作用的机会。动物模型和肿瘤球体对药物的反应相似的原因可能是通过粘附增加了细胞相互作用。然而，疾病模型由于其对疾病微环境、调节因素和器官周围生理环境的潜在模拟而引起了广泛的关注。微流控平台可以控制环境、细胞模式、细胞-细胞通讯和其他因素施加的剪切力，以模拟器官和相关疾病。此外，这些平台对癌症形成的主要生物物理和化学原因以及细胞外条件生长微环境进行了多组学分析和研究。接下来，我们将讨论三维培养模型作为芯片疾病平台在人类疾病研究中的最新应用，包括癌症、神经系统和肺部疾病。

1、癌症建模

相关文献中对微流控细胞培养技术的研究指出了癌症建模的不同方面，包括癌症细胞侵袭、浸润、外渗和肿瘤微环境建模。细胞侵袭是指细胞运动，包括癌症细胞的附着、蛋白水解和迁移，这可能导致癌症转移。传统的实验室采用的主要是二维方法，仅限于提供足够的定量数据，用于确定细胞-基质相互作用、细胞-细胞通信和细胞入侵的多因素。由于肿瘤侵袭中存在多种因素,因此需要发现和区分这些环境因素的功能,以了解肿瘤侵袭的细胞间动力学。

其中一个重要因素是肿瘤环境生态位与人类免疫系统之间的相互作用。例如，Surendran等人将肿瘤免疫微环境(TIME)模拟为三维平台，其代表了中性粒细胞以及趋化性和中性粒细胞外陷阱(NETosis)在卵巢肿瘤细胞侵袭中的作用。在另一项关于癌症侵袭的研究中，Samandari等人设计了一种独立的微流控梯度发生器，以表征趋化因子在水凝胶区域的传输，该发生器利用水凝胶屏障将细胞培养室与信号通道隔离。

癌症转移过程可以定义为血管内转移，即癌症细胞通过血管的转移。Yankaskaskas等人揭示了正常细胞和肿瘤细胞在向血管内迁移的整个过程中的剪切应力反应。因此，他们利用了一种特殊的分子，作为细胞的流体剪切传感器。微流控平台模拟了从迁移到侵入的转变，其中通过纵向通道移动的细胞在诱导的剪切应力下移动到正交通道中。Nagaraju 和Truonginvasion等人设计了一个微流控肿瘤血管模型，包括三维肿瘤、基质和血管生成，以研究单个设备中的侵袭和血管内浸润。此外，还对模拟肿瘤微环境进行了各种研究，如肿瘤或癌症平台。例如，Chi等人介绍了一种三层L-肿瘤芯片平台，将肿瘤基质和微血管结合在一起，并研究了不同基质细胞对癌症细胞发育的影响以及基质对药物反应的影响。在另一项研究中，Strelez等人介绍了具有CRC、基质串扰和机械力方面的癌症芯片平台。此外，Fridman 等人模拟了乳腺肿瘤微环境，其中肿瘤细胞、免疫细胞和成纤维细胞被封装到微流控平台内的不同水凝胶支架中。类似地，Haque等人使用来源于患者的器官组织，通过表现出上皮-基质沟通来模拟胰腺导管腺癌，并在芯片实验室模型中控制微环境调节。

2、神经疾病建模

微流控建模平台在过去十年中得到了快速发展，从而推动了体外人类神经系统建模和相关疾病模型的发展。中枢神经系统(CNS)建模涉及到轴突、突触和神经元网络，以及细胞培养中的条件生长，以模拟神经疾病，如帕金森病(PD)、阿尔茨海默病(AD)和多发性硬化症(MS)。例如，Virlogeux等人建立了一个微流控模型来确定亨廷顿舞蹈症(HD)皮质纹状体网络，以了解在HD发展的第一阶段突触前和突触后神经元的作用。这项研究揭示了HD中突触前区室的重要性，尤其是对后续治疗的重要性。Osaki等人模拟了另一种神经退行性疾病，肌萎缩侧索硬化症(ALS)，利用iPSC衍生的骨骼肌细胞和非ALS患者衍生的MNs。

这项研究评估了在模拟人类生理和病理条件下肌肉收缩和运动神经元的活力。关于外周神经系统(PNS)疾病，髓鞘的丢失可能引发神经问题。由于整个过程尚不清楚，想找到很好的治疗方法是很困难的。因此，Hyung等人建立了一个微流控平台，在共培养的运动神经元和原代Schwann细胞的支持下，展示了髓鞘形成、脱髓鞘和再髓鞘形成的整体机制。值得注意的是，模拟的微环境能够保存40天以上的长期共培养。同样，Dittlau等人在体外微流控模型中研究了ALS引起突变的影响。结果表明，ALS引起的FUS突变导致轴突切断后轴突再生不良和轴突生长不良。他们得出结论，选择性HDAC6抑制剂增强了轴突的生长和再生，因此，HDAC6抑制可用于治疗ALS。

3、肺/肺病建模

肺芯片平台旨在对生理条件下的药物毒性评估进行建模，并为药物筛选和个性化诊断和治疗提供技术援助。此外，由于肺部解剖和生理的复杂性，包括支气管、细支气管和肺泡等小单位的气道运输，开展了各种研究，重点是开发肺部疾病模型，如肺部炎症、损伤和其他肺部疾病。例如，Huh等人在微流控平台上研究了人类肺水肿，该平台展示了肺的肺泡-毛细血管界面。该系统由微通道组成，微通道由紧密的人类内皮细胞和肺上皮层包围，受到空气、流体流动和循环机械应变的影响，以模拟呼吸活动。另一项研究表明，肺动脉(PA)芯片平台使研究人员能够研究肺动脉高压(PAH)，即肺血管内皮和平滑肌细胞对抗药物和疾病推进器的分子和功能改变。COPD(慢性阻塞性肺病)是一种由气道受限引起的严重肺部疾病，会导致呼吸并发症。尽管COPD与中性粒细胞通过趋化性迁移流入气道有关，但在利用中性粒细胞趋化性诊断COPD方面仍有很大的改进空间。例如，Wu等人构建了一个微流控系统来量化COPD患者痰液样本中的中性粒细胞趋化性。

4、肝脏疾病建模

由于肝脏疾病的表现和发展是无声的，因此在诊断后立即采取行动至关重要。肝脏疾病发病机制的体外研究受益于微流控芯片技术。已经引入了许多肝病片系统，特别是用于研究脂肪肝。非酒精性脂肪肝(NAFLD)是由肝细胞中的脂质沉积引起的，最终可能导致肝癌。Lasli等人建立了一个NAFLD芯片模型来研究脂肪变性,该模型由倒金字塔形微孔内形成的球体组成。此外，通过在微孔中共培养人肝细胞癌(HepG2)细胞和脐静脉内皮细胞(HUVECs)来形成球体。脂肪变性进展可能导致炎症，即脂肪性肝炎。Wang等人使用在球体内培养的人诱导多能干细胞(hiPSC)设计了一种NAFLD模型作为芯片肝脏平台。肝类器官的基本致病特征与NAFLD有关，在游离脂肪酸诱导后在芯片上进行了研究。除了非酒精性肝病，科学家还通过模拟肝脏的生理学或解剖学来检查酒精性肝病。例如，Lee等人在芯片上建立了 ALD模型，该模型由单培养和共培养的球体组成。暴露于乙醇中的球体表现出不同程度的酒精损伤。随后，研究了球体的活力、形态、细胞色素P450(CYP450)活性和肝功能。

在过去的几十年里,微流控设备取得了重大进展,用于从诊断到疾病建模的各种应用。总之，这篇文章讨论了如何开发不同的技术来制造微流控装置。微流控设备将在未来的生物医学应用中得到更多的应用，并将降低诊断成本和加快诊断时间。目前，许多生物医学研究基于微流控在操纵液体和颗粒、感知变化方面的有效性以及微流控结构的易用性，已经积极采用了微流控。开发具有生物医学应用的微流控设备的主要挑战之一是从实验室环境过渡到现实生活中的工业应用和商业化的大规模生产。要开发的微流控芯片必须是便携式、耐用和用户友好的。此外，用于诊断目的的基于微流控的平台必须具有足够的适应性和一致性，以进行充分的临床试验、家庭测试和护理点测试。

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