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技術(shù)文章

可灌注微通道3D皮膚模型的構(gòu)建及屏障功能評價

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Shoji Takeuchi 團隊與 POLA 化學工業(yè)合作，在生物制造領(lǐng)域期刊《Biofabrication》（2024 年第 16 卷）發(fā)表研究 —— 開發(fā)出一款帶可灌注微通道的培養(yǎng)插入裝置，不僅能在常規(guī) 6 孔板中構(gòu)建體外全層皮膚模型，還能直接完成屏障功能評估，無需轉(zhuǎn)移模型或額外輔助工具，為化妝品、藥物皮膚測試提供了更高效、貼近生理的解決方案。

研究背景

隨著全球 40 多個國家禁止或限制化妝品動物實驗，3D 體外皮膚模型成為研究的重點。但傳統(tǒng)模型存在短板：要么是靜態(tài)培養(yǎng)缺乏營養(yǎng)流動，無法模擬體內(nèi)血管循環(huán)；要么是功能評估時需轉(zhuǎn)移模型，易損傷皮膚結(jié)構(gòu)，還難以區(qū)分 “經(jīng)皮滲透" 和 “血管吸收" 這兩個指標 —— 而后者直接影響藥物全身暴露風險的評估準確性。

為解決這些問題，研究團隊聚焦 “仿生設(shè)計 + 便捷測試"，打造了集成可灌注微通道的培養(yǎng)裝置，同時結(jié)合皮膚屏障評估的方法（跨上皮電阻 TEER測量、經(jīng)皮水分流失 TEWL檢測），讓體外模型更貼近體內(nèi)皮膚的結(jié)構(gòu)與功能。

研究設(shè)計

1. 裝置亮點：反向法蘭錨定 + 可灌注微通道

適配性強：直接放入常規(guī) 6 孔板，無需專用培養(yǎng)設(shè)備，降低實驗門檻；

錨定設(shè)計：中心的反向法蘭形錨定結(jié)構(gòu)，讓膠原蛋白基質(zhì)（真皮成分）收縮到預(yù)設(shè)尺寸，避免漏液，同時確保表皮完整覆蓋真皮；

微通道功能：內(nèi)置 4 條血管樣微通道（可擴展至 7 條），通過灌注模擬體內(nèi)血液流動，還能單獨評估血管吸收效率。

2. 皮膚模型構(gòu)建步驟

1. 真皮制備：混合人真皮成纖維細胞與 I 型膠原蛋白，注入裝置后培養(yǎng) 7 天，形成帶微通道的真皮；

2. 表皮接種：在真皮表面接種人表皮角質(zhì)形成細胞，培養(yǎng) 5 天形成表皮 - 真皮連接；

3. 血管內(nèi)皮化：在微通道內(nèi)接種人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVECs），模擬血管結(jié)構(gòu)；

4. 氣液界面培養(yǎng)：靜態(tài)或灌注條件下培養(yǎng) 7 天，誘導表皮角質(zhì)化，形成功能完整的全層皮膚模型。

3. 測試方法

屏障功能評估：① 跨上皮電阻（TEER）：用ASCH AS-TZ1經(jīng)皮電阻測試儀直接在裝置內(nèi)測量，反映表皮完整性；

ASCH AS-TZ1經(jīng)皮電阻測試儀

② 經(jīng)皮水分流失（TEWL）：使用ASCH VAPOSCAN經(jīng)皮水分流失測量儀，量化皮膚水分散失，輔助驗證屏障功能；

ASCH VAPOSCAN經(jīng)皮水分流失測量儀

③滲透測試：通過 HPLC-UV 檢測，區(qū)分經(jīng)皮滲透和血管吸收量。

研究結(jié)果

1. 形態(tài)更接近體內(nèi)皮膚

灌注培養(yǎng)的 HSE 表皮厚度達 80-100μm，是靜態(tài)培養(yǎng)（30-50μm）的 2 倍，且基底角質(zhì)細胞更極化，表皮分化層次更清晰；免疫熒光顯示，灌注組的膠原蛋白 IV（基底膜關(guān)鍵成分）表達高于靜態(tài)組，與商用皮膚模型相當。

2. 屏障功能更優(yōu)

TEER 測試顯示，灌注組的屏障完整性幾乎是靜態(tài)組的 5 倍；滲透測試中，灌注組 45 分鐘后經(jīng)皮滲透量低于靜態(tài)組，證實其屏障功能更強，且能清晰區(qū)分 “經(jīng)皮滲透" 和 “血管吸收"—— 加入 VEGF（血管內(nèi)皮生長因子）后，血管吸收量增加，說明模型可模擬血管通透性變化。