可灌注微通道3D皮膚模型的構(gòu)建及屏障功能評(píng)價(jià)

Shoji Takeuchi 團(tuán)隊(duì)與 POLA 化學(xué)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(píng)估，無(wú)需轉(zhuǎn)移模型或額外輔助工具，為化妝品、藥物皮膚測(cè)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(gè)國(guó)家禁止或限制化妝品動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，3D 體外皮膚模型成為研究的重點(diǎn)。但傳統(tǒng)模型存在短板：要么是靜態(tài)培養(yǎng)缺乏營(yíng)養(yǎng)流動(dòng)，無(wú)法模擬體內(nèi)血管循環(huán)；要么是功能評(píng)估時(shí)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(gè)指標(biāo) —— 而后者直接影響藥物全身暴露風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估準(zhǔn)確性。

為解決這些問題，研究團(tuán)隊(duì)聚焦 “仿生設(shè)計(jì) + 便捷測(cè)試”，打造了集成可灌注微通道的培養(yǎng)裝置，同時(shí)結(jié)合皮膚屏障評(píng)估的方法（跨上皮電阻 TEER測(cè)量、經(jīng)皮水分流失 TEWL檢測(cè)），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(jì)

1. 裝置亮點(diǎn)：反向法蘭錨定 + 可灌注微通道

適配性強(qiáng)：直接放入常規(guī) 6 孔板，無(wú)需專用培養(yǎng)設(shè)備，降低實(shí)驗(yàn)門檻；

錨定設(shè)計(jì)：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(shí)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(kuò)展至 7 條），通過灌注模擬體內(nèi)血液流動(dòng)，還能單獨(dú)評(píng)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(xì)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(xì)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(xì)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(dǎo)表皮角質(zhì)化，形成功能完整的全層皮膚模型。

3. 測(cè)試方法

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

ASCH AS-TZ1經(jīng)皮電阻測(cè)試儀

② 經(jīng)皮水分流失（TEWL）：使用ASCH VAPOSCAN經(jīng)皮水分流失測(cè)量?jī)x，量化皮膚水分散失，輔助驗(yàn)證屏障功能；

                                                         ASCH VAPOSCAN經(jīng)皮水分流失測(cè)量?jī)x

③滲透測(cè)試：通過 HPLC-UV 檢測(cè)，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(dá) 80-100μm，是靜態(tài)培養(yǎng)（30-50μm）的 2 倍，且基底角質(zhì)細(xì)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(dá)高于靜態(tài)組，與商用皮膚模型相當(dāng)。

2. 屏障功能更優(yōu)

TEER 測(cè)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(cè)試中，灌注組 45 分鐘后經(jīng)皮滲透量低于靜態(tài)組，證實(shí)其屏障功能更強(qiáng)，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(zhǎng)因子）后，血管吸收量增加，說明模型可模擬血管通透性變化。

3. 無(wú)需轉(zhuǎn)移，測(cè)試更便捷

裝置設(shè)計(jì)讓TEER測(cè)量、滲透測(cè)試直接在培養(yǎng)容器內(nèi)完成，避免了模型轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷，數(shù)據(jù)重復(fù)性更高，同時(shí)簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程。

研究意義

這款裝置解決了傳統(tǒng)體外皮膚模型 “培養(yǎng)與測(cè)試脫節(jié)”“缺乏血管循環(huán)模擬” 的問題，不僅能用于化妝品安全性、滲透性評(píng)估，還能模擬藥物的經(jīng)皮吸收與全身暴露風(fēng)險(xiǎn)，為皮膚相關(guān)基礎(chǔ)研究、藥物研發(fā)提供了更貼近生理的模型工具。