Transwell技術自誕生以來，在研究細胞共培養、趨化性、遷移、侵襲實驗中都發揮了重要的作用，但是隨著科技的進步和發展，科研工作者們對Transwell實驗提出了更高要求，對小室中的微量細胞因子和細胞間信號聯系的研究也越來越多。為了解決精準調控和監管培養液中不同因子的含量以及變化的需求，全新升級的Microfluidics-Transwell系統應運而生，它是建立在傳統Transwell系統上的細胞培養升級系統：Transwell系統搭配微流控技術，可以模擬體內在流體環境下的細胞生長情況，最大程度再現某種體內流體環境，以保證細胞生長和細胞間聯系的“本真”狀態，達到不同的實驗目的。

本期推送為大家帶來一篇采用Microfluidics-Transwell培養3D人腸道上皮細胞的研究論文，一起來看看吧。

文章信息 .

文章題目：3D in vitro morphogenesis of human intestinal epithelium in a gut-on-a-chip or a hybrid chipwith a cell culture insert.

期刊：Natrue Protocols

影響因子：13.491

發表日期：2022年2月2日

DOI：10.1038/s41596-021-00674-3

【研究概述】

文章介紹了兩款仿生腸道芯片：Gut-on-a-chip腸道芯片和Transwell-insertable chip混合芯片，可以誘導自發的腸道上皮3D形態發生，具有良好的生理功能和生物力學特征。這種仿生腸道芯片結合了微流控技術，可以誘導Caco-2或腸道類器官上皮細胞發生，通過控制基底外側液體流動實現功能性腸道微結構的再生。其中，Transwell-insertable chip混合芯片構造更簡單，使用方便，可插入的Transwell可以獨立培養腸道上皮細胞，該芯片搭配微流控系統可以為體外形態發生提供生理學相關的剪切應力和機械運動，不需要復雜的細胞工程或操作，體現出比其他現有技術更多的優勢。Transwell-insertable chip混合芯片提供了一種體外3D腸上皮細胞再生方法，對生物醫學研究界將產生廣泛影響，可應用于生物醫學、臨床醫學和藥物毒性和藥理學等研究領域。

Transwell-insertable chip混合芯片結構：

圖1. Transwell-insertable chip混合芯片結構示意圖

Transwell-insertable chip混合芯片的結構如圖1所示，由Transwell插件、微通道層和玻璃片組成，其中微通道分別由流入口和流出口與微流控系統連接。將獨立制備的用于培養單層腸上皮細胞的Transwell插件插入混合芯片中，培養基通過建立在Transwell插入物上的細胞層下面的微通道灌注，以誘導腸三維形態發生。

研究中混合芯片的實驗方案步驟可簡單總結為以下五步：

🔹 Transwell-insertable chip混合芯片的制備；

🔹 腸上皮細胞(Caco-2細胞或人腸類器官)的制備；

🔹 混合芯片上培養腸道上皮細胞；

🔹 體外三維形態發生的誘導；

🔹 三維上皮微結構的表征。

Transwell-insertable chip混合芯片腸上皮細胞3D培養特征：

圖2. Transwell-insertable chip混合芯片中腸上皮細胞形態發生特征圖

如圖2 Transwell-insertable chip混合芯片中腸上皮細胞形態發生特征所示，混合芯片中誘導腸道形態發生的流程：

1）將分離的上皮細胞放入準備好的Transwell插件中；

2）細胞被播種并附著在Transwell插件的聚酯膜上，所有細胞都在靜態條件下培養(TW培養)；

3）7天后，將含有單層上皮細胞的單個Transwell插入物整合到混合芯片中并接入基底外側流動(flow, BL)；

4）最終生成三維上皮細胞層(Morphogenesis)。

圖b所示混合芯片(左圖)誘導腸上皮細胞的類器官三維形態發生，在不同的z軸位置(上、中、下；見右側示意圖對應的虛線)顯示出明顯的形態特征。其中青色為肌動蛋白，灰色為細胞核。圖c為腸上皮細胞在靜態Transwell中培養(TW;左上角小圖)和在混合芯片中誘導培養后（Hybrid Chip；下方大圖）的熒光共聚焦顯微圖，可以清晰觀察到混合芯片中產生了三維形態；XZ視角橫切視圖(右上角小圖)也顯示混合芯片培養的腸上皮細胞發生了三維形態的改變，而靜態Transwell中培養得腸上皮細胞未見形態變化。

Transwell-insertable chip混合芯片優勢分析：

1. 研究中提及外源性添加Wnt拮抗劑到芯片上會抑制三維形態發生或破壞預結構的三維上皮層，提示了在三維培養過程中的拮抗力與體外腸道形態發生有關。因此，利用微流控系統通過主動清洗或擴散基底外側培養液中的形態拮抗劑，可以促進腸上皮細胞三維形態形成。

2. 混合芯片優于體內動物模型以及其他傳統的靜態二維細胞培養模型。動物研究對勞動力和成本要求高且存在動物倫理問題。最重要的是，遺傳背景差異使得動物模型不能準確地替代模擬人的組織器官的發生和生理代謝等過程。混合芯片的細胞可以是病人組織樣本來源，盡可能消除物種間差異。此外，混合芯片是微流控3D培養，相比傳統靜態二維培養更加真實地模擬體內動態變化的生理環境對細胞的影響

3. 混合芯片中提供了自發的腸道形態發生和生理相關的剪切應力，可以模擬腸道蠕動的生物力學，以及獨立并可反復操作的Transwell可插入式頂室和基底外側室。相比較與腸道干細胞培養得到的封閉腸道類器官，混合芯片可以方便快捷地引入微生物細胞或外源抗原，進行轉運分析或宿主-微生物組共培養；相比于傳統的水凝膠支架類器官，混合芯片可在微流控系統的控制下為整個微環境提供動態的腔內或間質流動，和生理功能所需的流體剪切應力，準確反映活躍的體內生物力學。同時，傳統的類器官預構造的三維水凝膠支架可能會阻礙腸上皮細胞的自發形態發生過程。

Transwell-insertable chip混合芯片應用前景分析：

1. 為基礎醫學、藥學等基礎研究領域提供新的工具和手段。混合芯片具有可重復性和系統穩定性，可以研究腸道發育、再生或穩態過程中細胞信號動力學；可以研究諾如病毒、嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2 (SARS-CoV-2)、艱難梭狀芽胞桿菌、鼠傷寒沙門氏菌或霍亂弧菌等各種感染性病原體下的疾病病理和發病機制；允許縱向共培養，以及隨后評估宿主防御、免疫反應和胃腸道(GI)中病原體相關的損傷修復；使用患者的活檢或干細胞來源的腸類器官制備三維腸上皮層時，可以模擬腎炎或腸易激綜合征；可以考慮在包含三維腸絨毛-隱窩微結構中添加與疾病相關的其他細胞類型，以更好地模擬疾病環境的復雜性。

2. 混合芯片具有可組裝的Transwell室，易于拆卸和操作。可以在沒有切片過程的情況下固定和可視化，進行轉錄組學研究和高分辨率或超分辨率成像，以繪制三維上皮微環境中基因和蛋白質對微生物或免疫刺激的時空動態響應；同時經過設計改造后可配合24、96或384孔板，加上微流控系統可以連續補充基底外側區室，適合在制藥、生物醫學或食品工業中開發高通量篩選或驗證平臺。

【總結】

全新升級的Microfluidics-Transwell系統在以下幾個方面盡顯優勢：

☑ 可以精確控制下室培養液的種類、因子含量以及給液速度，盡可能模擬體內細胞外基質和流體環境，滿足多種實驗需求；

☑ 可以精確定量下室培養液成分變化，檢測上下層培養細胞分泌的細胞信號物質，更準確地研究細胞間聯系；

☑ 可以再現流體環境并且更加真實地模擬腫瘤細胞轉移過程（腫瘤細胞內滲、進入循環系統、腫瘤細胞外滲、形成轉移灶等）。

SBC中心實驗室配備全新升級的Microfluidics-Transwell系統，為您提供新的科研思路，助力解決科研難題，讓您在科研的道路上暢通前行！