在微流控设备中模拟用于药理学研究的3D皮肤芯片

乔帮主

摘要

近年来，人类二维细胞、三维细胞培养技术以及类器官模型，在模拟人类组织结构和功能方面取得了显著进展。但这些模型往往难以全面反映人类组织的复杂性，前临床研究应用场景仍具有一定局限，这些局限将导致药物候选物效果预测不准确以及目标适用性判断失误。
皮肤芯片（SoC）技术的发展为静态的三维培养转向模拟人类生理学的动态三维培养提供了新的可能。在下一代皮肤芯片中，血管系统、免疫系统及常驻微生物群将被整合，并能够持续监测代谢变化，更准确地模拟复杂的人体皮肤环境。
本文综述了构建人体皮肤芯片所需纳入的生物皮肤成分和机械要求，以使得药物学、毒理学和化妆品测试在相关领域的研究更具时效性。

一、简介

皮肤作为人体最大的器官，组成结构较为复杂，不同类型细胞承担不同功能，具体取决于其在身体中的精确位置。人类皮肤分为三个不同的结构层：表皮（包含角质形成细胞，构成抵抗外部刺激的第一道防线）、真皮（结缔组织，为皮肤提供大部分机械性能，主要由嵌入纤维细胞的基质组成）和皮下组织（皮下脂肪组织，负责隔热）。
为了更全面地理解皮肤生理学，包括其力学、信号通路和皮肤屏障特性，我们需要开发更为先进的体外模型。这些模型不仅需要呈现皮肤各层的结构完整性，还应包括免疫系统、微生物群及相关的皮肤附属物等成分。同时，需采用创新的实时监测传感技术，为我们提供一个更为稳健可靠的研究平台。使用这些优化的体外模型，将为化学化合物的新型毒理学分析铺平道路，进一步推动针对纤维化、皮肤肿瘤等疾病的个性化研究，以及设计和探索其他与皮肤相关如皮肤科炎症等病理状况。

二、传统的皮肤模型与真实皮肤差异较大

鉴于人类与动物皮肤生理机制之间的显著差异，以及动物实验所带来的复杂伦理问题，现阶段需要开发能够更准确地模拟人类自然皮肤的替代模型，减少动物实验的使用。一种替代方案是人体离体皮肤组织，它来源于健康或患有疾病的皮肤样本，能够在培养中保持复杂性。但这种方法受到供体变异性、样本可用性以及生物学限制的制约。目前，相关行业正专注于人体皮肤等效物（HSEs）的开发，旨在模拟全层皮肤，或在二维或三维培养系统中模拟皮肤的特定层。
在2D培养中，通常使用原代或永生化的人类细胞，在可控的平坦环境中单层培养，能够同时进行单一细胞类型或多种细胞类型培养。尽管这种方法相对简单、易于操作，可以高通量筛选，但由于缺乏天然组织的复杂性，以及细胞趋向于扁平和拉伸的异常形态（易导致细胞变化，如增殖、分化、凋亡及基因表达改变），因此无法准确地模拟体内细胞微环境条件。相比之下，3D细胞培养更能模拟人类皮肤生理学，其结构通常由天然细胞外基质分子或合成聚合物构成支架，这些支架允许细胞-细胞和细胞-基质之间的相互作用。这种结构准确反映了机械和化学信号及细胞形态，突破了2D细胞培养的局限性。常见的支架材料包括藻酸盐、胶原蛋白、壳聚糖、纤维蛋白、透明质酸、弹性蛋白、聚乙二醇、聚己内酯、聚乙烯醇及聚乳酸等。它们形成水凝胶以模拟真皮层，角质细胞培养则在最外层，以模拟表皮层。其中胶原蛋白作为细胞外基质中最丰富的成分，在构建这些模型时经常被使用。
然而，这些3D体外模型的静态条件仍难以完全模拟自然皮肤的动力学特性，一是支架的快速降解和过度的水凝胶收缩限制了它们的寿命和长期适用性。二是这些模型通常缺乏皮肤中某些关键元素，如交织在真皮和表皮中的免疫系统细胞（如树突状细胞）和血管网络，这对营养物和生长因子的动态运输、废物清除和细胞迁移至关重要。
目前，已有多种商业人体皮肤模型已成功上市应用，但包含所有皮肤成分且生理上准确模拟真实人类皮肤的理想模型仍未被成功开发。与人类皮肤相比，人体皮肤模型屏障功能较差，并且通常缺乏免疫细胞和其他位于组织内外的微环境皮肤成分。为了解决当前3D皮肤模型技术的相关问题，组织工程与微流控技术的结合成为了一种替代方案。越来越多的能够解决上述问题的微流控平台——也称为皮肤芯片（SoC）设备正在研发中。

三、皮肤芯片（SoC）设备的生物学要求

皮肤芯片（SoC）能够精确控制形态、流体剪切应力和培养基灌注相关参数，设备由多孔基底构建而成，这种基底可以分隔微通道和用于沉积组织的孔室，使得研究人员能够探索特定的组织屏障功能以及组织-组织间的相互作用。
SoC技术可大致分为两种：一种方法是将来自活检或人表皮角质形成细胞（HSE）的组织直接植入设备中，另一种方法则是在芯片上原位生成组织（如图1所示）。然而，这种方法并未详细区分设备的材料、制造方式，组织的具体构成（包括真皮、表皮、血管及免疫系统）及组织的维持或机械要求。因此，为了构建理想的SoC模型，我们需要对所需的不同成分进行深入分析。




1. 表皮

角质细胞从基底层完全迁移到角质层至少需要14 天，另外再需要 14 天才能完全通过角化层到达表皮的最外层，由此确定了形成表皮 3D 模型所需的时间。与角质细胞紧密相连的黑色素细胞形成黑色素单位，并保持黑色素细胞与角质细胞的比例为1:10，这是开发表皮 3D 模型时需考虑的重要因素。
早期的二维模型主要依赖于由成纤维细胞滋养层上培养的角质细胞，并添加表皮生长因子（EGF）。然而，由于培养基中含有血清且难以区分细胞生长的不同阶段，这些模型主要用于快速产生角质细胞和研究细胞生长。随后，出现了无血清的表皮皮肤模型，但其仍然依赖于表皮分化的分子控制器。为了突破这些限制，研究者们提出了基于角质细胞的内源性生产，不依赖外源生长因子的自分泌培养替代方案。
但这些模型未能实现气液界面，即最外层的组织层暴露在空气中，而空气刺激能够分化并诱导表皮分层和屏障形成，这意味着培养基必须从组织结构的底部培养细胞。与转录对照组比较得出，在气液界面生长的三维角质细胞多层模型，在形态和基因表达上与人类皮肤相似，但它们仍缺乏一些转录因子、细胞表面受体和分泌蛋白的表达，并且与分化标志物和凋亡基因被抑制的二维角质细胞差异较大。
这些差异主要源于缺乏真皮层对表皮细胞的影响，以及表皮细胞对真皮层的反馈作用受限。这些因素改变了转录组学特征，并导致了与其他细胞类型（如表皮中的免疫系统细胞）之间相互作用的缺失，从而可能对细胞通路产生影响。当前的3D器官型系统，如SkinEthicTM，主要依赖于在惰性表面上接种人源角质细胞，并通过气液界面进行培养，以确保模型在长时间内具备可重复性和稳定性。然而，这些模型在模拟真实皮肤结构时仍存在局限，如缺乏棘层和颗粒层中的朗格汉斯细胞，无法模拟真皮-表皮间的细胞间相互作用，以及缺少表皮表面的皮肤微生物群。
近期的表皮芯片设备在模拟表皮基底层、棘层、颗粒层和角化层方面取得了较大进展。这些结构与人类皮肤相似，并类似地表达了角蛋白-10、角蛋白-14、内披蛋白、角蛋白丝聚蛋白及兜甲蛋白。这些设备还有效整合了跨上皮电阻（TEER）的测定，以非侵入的方式监测角质细胞单层的完整性和分化状态。并且能够完全区分刺激物和非刺激物化合物，满足经济合作与发展组织（OECD）关于敏感性80%、特异性 70%和准确性 75%的要求。
然而，尽管这些设备在刺激测试中能够明显反映出细胞死亡、细胞旁通透性降低、炎症细胞因子（如IL-6和TNF-α）增加、表皮形态受损、对紧密连接的影响及单层屏障破坏（通过TEER证实）等现象，但由于缺乏表皮或真皮中其他类型细胞，这些设备并未准确反映出人类皮肤的渗透性和刺激性。例如，它们缺乏因刺激物被激活的免疫系统中髓样细胞，这些细胞通过释放促炎介质触发即时反应，从而导致皮肤炎症。

2. 真皮-表皮连接

真皮-表皮连接（DEJ）在皮肤结构中发挥重要作用，它位于表皮与真皮之间，不仅紧密结合两层皮肤，保持皮肤的结构完整性，还有效防止由外部剪切力带来的损伤。DEJ为表皮干细胞提供了一个具有特殊结构的微环境，这种多孔结构允许液体和细胞的选择性交换，对于建立细胞极性和确定表皮生长方向具有重要作用。表皮嵴与真皮乳头的动态界面进一步增强了剪切阻力，扩大了表面积，促进了皮肤层之间的旁分泌扩散。以上这些作用强调了在皮肤模型中准确模拟DEJ以实现成熟皮肤结构的重要性。
然而，当前的生物工程皮肤模型通常将DEJ设计为平面，而不是天然皮肤中呈现的波纹状结构。由于DEJ被假设在建立皮肤干细胞生态位的细胞微环境中发挥重要作用，因此在皮肤模型中嵌入一个空间上相似的结构必然会提高体外皮肤结构的生理准确性。研究表明，具有连续培养基灌注的动态微流控环境对建立功能性的DEJ具有积极影响，能够增强胶原蛋白IV型、VII型和XVII型的沉积。例如，一个结合了动态灌注和通风系统的SoC模型，成功产生了包含成熟DEJ的多层皮肤结构，这进一步证实了通过工程化模仿天然表皮嵴的DEJ以实现优化的拓扑结构，会进一步提高体外皮肤结构的生理准确性和活力。目前，用于构建有效DEJ的工程方法包括光刻、激光结构、静电纺丝、3D打印及其之间的各种组合。

3. 真皮层

真皮层作为皮肤的主要构成部分，为身体提供了机械保护，同时也参与温度调节和液体稳态维持。真皮层由两层结缔组织构成:较浅的上层是乳头层，与表皮轮廓相吻合，由富含血管的疏松结缔组织组成;较深的下层是网状层，包含密集的结缔组织。毛细血管以环状方式伸入真皮乳头，为表皮层提供养分，模拟完整皮肤厚度的皮肤模型必须包括真皮层。
目前已有多种方法可以在体外构建人工结缔组织层，其中胶原蛋白水凝胶是这一领域的金标准。例如，在SoC模型中，真皮层通过将人类原代成纤维细胞嵌入胶原蛋白来进行模拟，并在胶原蛋白水凝胶的顶部加入人类角质细胞以形成表皮层，这两层在PDMS设备内通过一层膜隔开。在设备中引入重力流动后，由于蒸发率的不同、来自周围培养基的液体补充以及培养基到水凝胶的扩散加对流传输，水凝胶的收缩现象减少，角质细胞分化增强。这一系统在SoC设计上取得了突破，通常适用于药物测试，例如评估天然抗衰老皮肤化妆品如姜黄叶提取物的效果。
在微型设备中生成真皮层并不容易实现，主要是因为水凝胶在小尺寸装置中的行为不易控制，难以获得理想的凝胶表面。一种替代方法是，通过多孔膜上的通道将水凝胶注入，再利用注射器泵控制的上层平行流动来创造一个平面，用于种植角质细胞。这一方法是在标准化和可重复真皮系统研究上的重要突破。之后，若能在介质通道中引入内皮细胞，将为更多前沿实验开辟新道路。其他替代方法则开发了能够模拟皮肤拉伸的微流控设备，该设备通过磁组件实现变形，从而在组织内产生单轴张力。这一模型由嵌入I型胶原蛋白水凝胶的成纤维细胞和位于水凝胶表面的角质细胞组成，可用于皮肤衰老研究。


4. 皮肤血管系统

皮肤微循环负责皮肤稳态、体温和血压调节，主导炎症反应以及输送营养和其他系统因子，有助于组织更长时间的存活和稳态维持。皮肤血管主要由微血管内皮细胞构成，这些细胞能够合成并分泌趋化因子和细胞因子，在白细胞迁移到炎症部位的过程中激活免疫系统，并参与细胞外基质（ECM）的形成。因此，在体外皮肤芯片（SoC）模型中整合血管结构尤为重要。研究团队在带有多孔PET膜和真皮层下内皮层的PDMS设备中，通过向真皮层注入不同剂量的TNF-α来模拟炎症和水肿的情况。这一研究展示了炎症导致的细胞紧密连接损伤，通过形成细胞间间隙影响内皮细胞骨架，进而增加皮肤通透性。使用地塞米松治疗可以有效减少TNF-α引起的通透性增加，这种方法在临床、药理或化妆品领域具有一定的应用潜力。但由于缺乏DEJ边界，这一模型并不能完全代表人类皮肤的真实状况。
细胞涂布和累积技术的使用，成功在重现血管系统方面取得了进展。通过在纤维连接蛋白和明胶纳米膜真皮腔室灌注培养基，能够控制3D打印生物反应器中类血管培养，从而调节血管内皮生长因子（VEGF）、缺氧诱导因子1A（HIF1A）以及基质金属蛋白酶/金属蛋白酶组织抑制剂（MMPs/TIMPs）的基因表达。这种调节可以防止细胞外基质（ECM）降解，避免形成可能导致非控制性血管生成的空白间隙，并通过HIF1A和VEGF的表达诱导血管形成。这种流动系统不仅增加了皮肤厚度，还提高了角蛋白表达和跨上皮电阻（TEER）值，能够更贴近地模拟DEJ结构。

5. 免疫系统

皮肤通过表皮的物理屏障和复杂的免疫系统（包括免疫细胞和生物分子）作为防御机制，抵御病原体、细菌、真菌和病毒的入侵。在使用重力灌注、含有白细胞、由多孔膜分隔真皮和表皮的PDMS SoC 设备研究中，紫外线刺激证明了血管内皮层中CD31粘附分子的存在，以及观察到通透性降低和阿霉素对角质形成细胞毒性的增加。研究发现，这种刺激引发了炎症反应，导致免疫细胞释放细胞因子，而这些细胞因子的水平在抗炎治疗后有所下降。炎症部位的细胞因子释放还激活了内皮细胞，促进了微通道中白细胞的聚集。
在其他SoC模型中，巨噬细胞与成纤维细胞，内皮细胞和角质形成细胞在Matrigel中分别共培养，通过添加TNF-α来模拟伤口，观察到IL-6和IL-8水平上升，线性血管结构的细胞间连接发生改变，并增加了异常血管的形成能力。M2型巨噬细胞的存在促进了IL-8的表达，但地塞米松的治疗可以降低这些细胞因子水平，恢复正常的血管组织结构。然而，其他免疫细胞和皮肤细胞间的相互作用机制仍不明确。使用患者未经处理的全血，和从患者微生物组织切片中提取的皮肤进行其他SoC模型研究，展示了针对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的免疫系统反应，并分析了中性粒细胞在炎症反应中的作用。但去除后的患者样本处理如何影响组织细胞并破坏其生理功能、中性粒细胞数量的变异性，以及皮肤内在免疫细胞群体的作用，都需要进一步明确和研究。

6. 微生物组

细菌、真菌和病毒共同构成了皮肤微生物组，具有保护皮肤免受病原体入侵、强化免疫系统以及分解天然产物等重要功能。目前，已有多项研究探索了不同皮肤部位的微生物组成，并发现皮肤疾病常与其变化相关联。然而，在SoC模型中，微生物组往往被忽略，关于如何将微生物组集成到这些模型中的研究也较为少见。事实上，将微生物组整合到SoC设备中有助于个性化研究由微生物组功能障碍引起的病理，并培养来自受影响患者的特定微生物组群体以供研究。
皮肤上的常驻微生物在皮肤未受损时通常不被视为病原体，但偶尔可能会因特发性原因导致机会性感染。例如，将人类皮肤共生菌表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）、痤疮丙酸杆菌（Cutibacterium acnes）和马拉色菌（Malassezia furfur），以及暂时性致病菌金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus），在角质形成细胞上植入成纤维细胞内嵌的纤维蛋白基质真皮上。超过生理水平的油脂会导致痤疮丙酸杆菌或马拉色菌的生长，可能导致炎症性痤疮或脂溢性皮炎和花斑癣。此外，在具有单一表皮层的3D模型中，痤疮丙酸杆菌的不平衡和过氧化鲨烯处理能够模拟易患痤疮的皮肤，表现为炎症因子增加、claudin-1减少和表皮完整性降低。尽管这些模型为研究皮肤微生物组和病理学提供了初步方法，但为了使模型更贴近真实的人类皮肤，还需要在模型中添加其他来自皮肤和皮脂腺的微生物、模拟流动或其他机械要求。这样的改进将使模型更具渗透性，能够模拟由微生物群改变引起的不同病理状况。

7. 神经

皮肤内含躯体感觉神经纤维和交感神经自主神经纤维。研究表明，当皮肤移植物与初级感觉神经元共同培养10天后，能够在真皮和表皮层中观察到组织的神经支配现象。这种神经支配能够促进表皮厚度增加、细胞密度增加和移植物质量提高，使皮肤达到最佳稳态，这一结果显示出了神经系统对皮肤模型的影响。在体外人体皮肤等效模型中，从真皮层到表皮层的神经炎对局部应用辣椒素化合物表现出敏感性，这种化合物被角质形成细胞受体识别后，会沿着神经纤维传递信号，并在细胞内引发钙波的传播。
另一种方法是将肝脏诱导多能干细胞（iPS）和神经细胞嵌入到不同的胶原蛋白通道中，并在第三个通道中培养原代角质形成细胞。结果显示，高剂量的维甲酸（一种用于去角质治疗的化妆品）会导致表皮厚度减少和角质层中角蛋白表达降低，而局部使用辣椒素则会使神经细胞中剂量依赖性的钙含量增加。当乳酸（一种抗皱化妆品成分）和氯化锶同时使用时，会抑制神经细胞的激活。在相较于肝细胞单层培养更低的水平上，局部应用肝毒性化合物可检测到肝毒性指标，这证明了皮肤屏障的作用。

8. 皮肤附属物

皮肤附属物包含毛发、指甲、小汗腺、顶浆分泌腺以及皮脂腺等，它们发挥着保护、感觉接收、体温调节或润滑的重要作用。在SoC模型的设计中，这些皮肤组件的模拟也应当被纳入考虑。事实上，科学家们已经能够在芯片上体外培养出完整的毛囊（HF），这些毛囊能够维持周围表皮、真皮和皮脂腺的稳定，保护基底膜、结缔组织和真皮乳头，并使毛干扩大。然而，在体外培养的环境中，毛囊的结构受到了一定程度的影响，尤其是中央和近端毛囊的细胞核数量有所减少。尽管动态培养技术有利于延长组织寿命，但为了更真实地模拟天然皮肤，需要将垂直于皮肤层的毛囊进行整合，以获得完整的全层厚度，避免毛发可见部分的浸入。这种方法有助于不同细胞群之间细胞-细胞相互作用，从而构建一个更为完整的皮肤模型。
利用人体多能干细胞（hPSCs），已经能够在复杂的皮肤结构中培育出毛发，这种皮肤结构包括分层的表皮、富含脂肪的真皮、带有皮脂腺的色素毛囊，以及感觉神经元和施万细胞网络。在这个过程中，PSC（多能干细胞）首先分化为表皮前体细胞，并被真皮前体细胞包裹。经过大约70天的培养，可得到一个跨表皮分布的毛囊类器官，其形态与哺乳动物正常皮肤相似。尽管这个类器官模拟出了下巴、脸颊或外耳皮肤，但并没有检测到其中的皮肤免疫细胞。此外，这个类器官还模拟出了色素、透明软骨、围绕在培养物周围富含脂质的单层脂肪细胞，以及一个类似于18周人类胎儿的基本神经系统。这是目前已公布的最先进的模型，但该模型在动态条件下仍未能充分展现出成人头皮毛发的全部特征。

四、机械组件

1. 流动与剪切应力

除了生物因素，模拟自然皮肤微环境时还应考虑机械因素的影响。细胞能够感知如压缩、拉伸或剪切等机械力并转化为生物响应，这些力对细胞的分化、增殖、表型、迁移和凋亡有显著影响。因此，在设计SoC时，应考虑集成流动和机械剪切应力等机械特性，以及用于实时监测的传感器等其他组件。
血管是体外SoC的关键组成部分，不仅作为流动的通道，还能增强移植物的耐久性，在血管抑制药物和癌症研究中扮演着重要角色。充足的血管网络也是实现毛囊、汗腺、神经或免疫系统功能的重要基础。然而，目前配备足够微血管网络的SoC模型较少，其稳定性和耐久性也受到限制，通常维持时间多为7至14天。这是因为皮肤血管的形成可能受到多种因素的阻碍，如成纤维细胞引起的真皮收缩、细胞外基质的蛋白水解，以及来自角质细胞的MMP和TIMP信号级联等，这些因素都不利于内皮细胞的增殖、迁移、形成分支微血管以及长期存活。事实上，通过外部流动灌注由干细胞或内皮细胞发育而来的微血管网络，会产生不可预测的、随机的血管形成，这阻碍了营养物质的运输，并影响了血管模型的准确性。



通过在SoC中引入动态流动部分替代血管，不断向系统供应营养并移除废物和代谢产物，延长了系统的寿命。动态流动支持血管化SoC在长时间内的维持，改善表皮形态发生、分化以及增强皮肤屏障功能，有助于更成熟的基底膜形成。并且，在微流控系统中引入动态流动后，发生的剪切应力对细胞产生机械刺激，显著影响着细胞的粘附、力学特性、形态和生长。此外，与静态模型中培养的细胞相比，暴露于剪切应力的人表皮角质细胞表现出不同的行为模式，结果显示剪切应力有助于改善细胞的存活率。剪切应力可以通过多种方式产生，如使用摇床进行被动输送、使用注射器泵或蠕动泵进行外部泵送，或在芯片内部集成内部泵送系统。外部泵送方式可以编程以实现精确的流速控制，使细胞在特定的流速下暴露于层流剪切应力。剪切应力可以通过以下公式计算：


其中，Q代表流速，µ代表取决于培养基的流体粘度，h代表通道高度，w代表通道宽度。由此得出，0.025–0.4 µL/min的流速会改变人表皮角质细胞的增殖率和存活率。剪切应力还会在角质细胞中引发机械响应，在高剪切应力下将对细胞骨架造成损伤，但在低剪切应力下则可以诱导细胞骨架重组，增强E-钙粘蛋白和ZO1的表达水平，提高细胞的粘附能力。这一过程展示了细胞的机械抵抗力和机械转导能力。另外，剪切应力还会影响伤口模型中如成纤维细胞的迁移，使伤口在最佳剪切应力下加速愈合。


2. 压缩与拉伸

目前，关于压缩或拉伸的研究相对较少，主要研究重点在于衰老现象，其机制是微尺寸的表面能够模拟皱纹形成的初期阶段。一些研究显示，使用磁铁诱导10%单轴拉伸的微流控设备，可以在7天后形成皱纹，并触发机械转导，从而降低胶原蛋白、纤维连接蛋白和角蛋白-10的生成。计算模型进一步解释了单轴压缩应力如何基于皮肤的几何形状和材料特性产生这些皱纹。在血管化SoC中进行拉伸能够促进表皮的分层和分化，可进一步形成更厚的表皮，使其更接近于人类自然皮肤的形态。此外，拉伸张力还能够增强基底膜，增加真皮中的胶原蛋白浓度和细胞密度。
转录因子YAP作为上皮细胞增殖的关键调节因子，在受到机械力作用时会从细胞核转移到细胞质中。但这种增殖现象仅在短期机械拉伸中发生，在长期机械拉伸中，YAP的转位伴随着H3K27me3的增加以及甲基转移酶EZH2的表达，这种表观遗传学行为会抑制上皮细胞增殖。甲基转移酶抑制剂的施用，则可以逆转这种机制，上皮细胞的增殖能力得以恢复。在体内环境中，较高的等轴循环拉伸会导致血管通透性增加，加速钾离子外流及钠离子内流。这种变化会引起内皮细胞收缩，内皮屏障功能减弱，进而导致炎症因子渗透到受损区域，促进ECM成纤维细胞的分泌，最终可能发展为肥厚性或瘢痕疙瘩性疤痕。为了预防瘢痕疙瘩的形成，目前已提出β-羟基丁酸作为治疗候选物，它可以抑制拉伸引起的Ca²⁺反应、以及抑制KATP通道的开放和随后由细胞内K+激活释放的NLRP3炎症小体。

3. 集成传感器

将传感器集成到SoC模型中，能够持续监测细胞的行为及其对给药药物的反应。传统方法中，皮肤结构是通过具有侵入性的组织染色方法来呈现的，但微流控系统通过集成生物传感器，可以轻松地实现连续、非侵入性和实时监测。例如，监测细胞的微环境参数，包括温度、pH值、湿度、氧气含量等；以及细胞的行为指标，如增殖、存活率、细胞粘附或代谢活性等；并量化细胞释放的物质，如过氧化氢、葡萄糖、乳酸等。目前，微型化集成传感器主要聚焦于跨上皮电阻（TEER）的测量，能够完全集成到设备中，并在芯片上使用，以监测样本的变化，以及分析流经芯片外通道的流体。
上皮单层的完整性可以通过将电极直接嵌入芯片中的TEER读数来实时无创量化，其量化基于组织的欧姆电阻在一系列频率上的阻抗。在气液培养条件下，角质细胞的分化会随着时间的推移增加电阻，而使用洗涤剂处理后，电阻会下降。例如，在模拟表皮的SoC模型中实现自动TEER系统（IMOLA-IVD）可以显示SDS如何导致上皮屏障完整性的丧失、真皮缺乏以及如张力等机械刺激。商业上用于TEER测量的电极通常是筷子型，在大尺寸组织中由于手动操作电流密度不均，测量结果重现性较差。采用模块化架构和定制的集成四极电极可以克服这些问题，在包含成纤维细胞的SoC模型中，通过覆盖角质细胞层，能够精确地显示0.2% SDS如何导致上皮完整性的丧失。
将温度传感器集成到SoC模型中有助于评估药物通过皮肤的渗透性。研究者在使用白胶布覆盖后，探究了基于凡士林乳膏配方的亲水性药物（如咖啡因）在两种皮肤类型中的扩散情况。结果表明，随着皮肤敏感性的提升，药物的渗透性也会增加，这为传统的体内和体外动物模型提供了更为真实的参考数据。此外，还有研究涉及在乳腺癌球体模型中使用的电化学传感器，集成在微流控设备中以检测氧气的消耗和乳酸的生成。其中氧气传感器的工作原理基于电解质中溶解的分子氧的还原反应，乳酸传感器则主要基于乳酸氧化酶的酶促反应。这些传感器可以测量包括pH值、氧气浓度和温度的物理传感器，以及用于检测特定生物标志物的电化学免疫生物传感器。这种设计不仅可以实现连续的、自动化的实时观察，还能够在显微镜下直接进行。例如，一个多器官的人类心脏-肝脏芯片被用于测量肝毒性药物对乙酰氨基酚（APAP）和化疗药物多柔比星（DOX）的使用效果。
电化学免疫生物传感器基于阻抗功能化，利用抗体来检测释放的蛋白质，而PH传感器、氧气传感器和温度传感器则分别由物理传感器和声呐组成。在分别给予不同剂量的APAP和DOX导致肝细胞和心肌细胞毒性增加后，免疫生物传感器能够量化白蛋白的减少及谷胱甘肽S-转移酶α（GSK-α）和肌酸激酶MB（CK-MB）的增加。

五、 结论

皮肤病学是3D体外模型技术发展最快和应用最广泛的领域，应用范围从毒性测试到人类疾病。禁止化妆品行业的相关动物测试，极大地推动了新型体外皮肤模型的发展。这些模型使我们无需进行动物实验就可以研究过敏反应、癌症、炎症或自身免疫性皮肤病等常见皮肤问题。通过使用来自患者的组织成分，如ECM或免疫系统细胞，能够针对每个患者的具体情况研究其病理，探索其最适合的个性化治疗方案。
对于尖端SoC模型的分析和表征，目前仍局限于光学显微镜和荧光显微镜，以及细胞染色和标记技术。这些方法的主要限制是通常只能进行单次测量，标记技术也有可能会与细胞或待测物发生非特异性反应。其他分析技术，如高效液相色谱（HPLC），由于样本量小而不适用于SoC模型。在SoC模型中，如当前在体外细胞培养（OoCs）中集成的电化学和光学传感器，无标签和连续实时的细胞活力参数分析仍然是一个尚未解决的重要技术挑战。



此外，跨上皮/跨内皮电阻（TEER）有助于了解细胞代谢和对外部刺激的反应，但商用细胞培养分析系统的应用在这一领域仍受到限制。扩大规模能够推动这些新技术从研发阶段向商业阶段的快速发展。对于SoC来说，需要考虑的因素包括整合自动闭环设备，这些设备能够持续监测和控制芯片参数，减少手动工作，减轻终端用户的芯片处理负担。如果皮肤芯片设备能够成功扩大规模以满足商业需求，那么制药和化妆品行业在产品测试方面的成本、所需生物资源以及时间都将大大减少。总之，微芯片技术的应用将大大节省实验数据获取过程中的成本。

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