用肠道芯片装置研究汞离子的肠道转运

通过使用动物模型和静态细胞培养，可以研究汞离子在肠上皮细胞中的转运以进行毒理学评估。然而，这些概念并不能可靠地复制人体肠道微环境的条件来监测原位细胞生理学。因此，汞在人体肠道内的转运机制尚不清楚。

在现在发表在《自然微系统与纳米工程》上的一份新报告中，王力和中国机械工程与再生医学研究团队开发了一种集成了跨上皮电阻(TEER)传感器和电化学传感器的芯片上肠道仪器。

他们提出探索动态概念来模拟物理肠道屏障并反映汞离子的生物转运和吸附机制。科学家们通过施加流体剪切应力和循环机械应变重建了细胞微环境。

Wang和团队在将上皮细胞暴露于在细胞培养基中混合的不同浓度汞下生长的肠道细胞后，通过电化学传感器的性能研究了汞吸附和有毒元素对上皮细胞造成的物理损伤。该团队注意到Piezo1和DMT1(二价金属转运蛋白)的相应表达和上调，它们分别是细胞表面的机械感应离子通道和铁转运蛋白。

开发肠道模型

汞离子不可生物降解，低浓度时可在体内蓄积，对主要器官造成损害。有毒的汞离子可以在亚细胞水平上与抗氧化成分、DNA修复酶和蛋白质相互作用，从而破坏细胞稳态并导致细胞结构和功能紊乱。

虽然汞吸附主要发生在小肠，但摄入大量汞会在短时间内导致内出血和穿孔。长期摄入低浓度的汞离子也会导致慢性肠道疾病。由于肠上皮细胞提供了一个初始屏障来限制摄入的汞在血流中的渗透并减少其有害影响;合理的肠道模型对于在实验室探索汞的转运机制具有重要意义。尽管动物模型和静态细胞培养传统上用于研究肠道吸附和汞运输，但这些模型不能有效地概括肠道微环境以模拟活体肠道。

在这项工作中，研究人员开发了一种集成了无标记传感器的片上肠道模型，以非侵入方式实时监测汞吸收的细胞行为期间跨上皮电阻(TEER)的变化。该团队通过电测量和免疫组织化学研究确定了肠道的关键特征，以评估对机械感觉离子通道的影响。

装置的数值分析

研究团队开发了一种芯片，该芯片显示出类似于活体肠道的机械行为，并引入了具有代表性的流体流动和循环机械拉伸。例如，接近0.02达因/cm2的剪切应力产生肠上皮形态发生所需的流体流动。基于对器官芯片的额外计算，该团队获得了对应尺寸剪应力的160μL/小时的流速。

然后，他们通过有限元分析模拟拉伸应变/应力动力学，通过分析碱性磷酸酶的催化​​活性，了解参数对仪器物理特性的影响，包括其孔径及其对细胞分化的影响;通常用作骨和肝损伤的标志物。该团队注意到，在细胞培养仅7天后，流体流动下的细胞和在芯片上承受机械应变的细胞之间的催化活性更高。

结果突出了仿生方法以及细胞单层在机械刺激下的生长和分化能力。肠道芯片仪器提供了仿生肠绒毛状结构，以维持组织屏障的完整性，并代表了与生理相关的关键人体肠道。

研究小组接下来在静态培养条件下将细胞暴露于汞以了解细胞死亡的过程。并注意到当增加汞浓度和培养时间时，过程会增加。他们指出，乳酸脱氢酶(LDH)的活性在测定中随时间增加，表明毒素对两种细胞培养物的影响相同。然而，两种文化之间的伤害程度不同。例如，与汞处理后的动态细胞培养相比，静态培养中LDH的表达更高。

科学家们使用集成到肠道芯片装置中的电化学传感器阵列来观察上皮细胞与汞的相互作用。他们探索了该元素与其在上皮细胞上的吸收相关的转运机制，并研究了关键蛋白(如Piezo1和DMT1)与机械感应离子通道和活性铁转运蛋白的表达。他们研究了不同拉伸应变对细胞屏障的影响，并指出机械刺激的增加导致肠上皮细胞对汞的吸附增加，其中机械感觉离子通道也显示出正相关。

外表

通过这种方式，LiWang及其同事开发了一种集成了跨上皮电阻传感器和多个电化学传感器的片上肠道装置，以在体外刺激人体肠道中的汞转运。芯片动力学模拟了物理肠道屏障和微环境，以实时观察汞的运输。该团队注意到芯片上肠道上的细胞单层通过成像和免疫组织化学分化形成完整的细胞屏障。该团队打算使用器官芯片进一步了解人类肠道疾病的其他机制，以促进个性化药物开发。