Кожа-на-чипе: Моделирование иннервированного эпидермального слоя на микрофлюидном чипе

Для фундаментальных исследований и промышленных приложений необходимы физиологически релевантные модели кожи. Поскольку патофизиология кожи зависит от взаимодействия кожи и нервов, требуется создание надежных лабораторных моделей для изучения коммуникации между эпидермальными кератиноцитами и сенсорными нейронами.

В новом отчете, опубликованном в Nature Communications, Джинчул Ан и команда исследователей из Южной Кореи представили трехмерный иннервированный слой эпидермальных кератиноцитов на микрофлюидном чипе — модель совместного культивирования сенсорных нейронов и кератиноцитов. Биологическая модель демонстрировала хорошо организованную базально-супрабазальную стратификацию и улучшенную барьерную функцию, что обеспечивало физиологически релевантное анатомическое представление. Платформа подходит для биомедицинских и фармацевтических исследований.

Создание кожи-на-чипе для совместного культивирования кератиноцитов и нейронов

Ученые воспроизвели анатомию эпидермиса, сконструировав микрофлюидный чип с гидрогелем. Конструкция содержала четыре отсека для культивирования клеток и анализа нейронов, а также канал для эпидермальных кератиноцитов. Кератиноциты загружали в эпидермальный канал, где они росли на гидрогеле внеклеточного матрикса, что обеспечивало взаимодействие только с аксонами, но не с сомой нейронов. Это разделение отсеков позволяло выращивать два независимых типа клеток на одном устройстве, сохраняя их идентичность и функцию.

Настройка аксональных паттернов в чипе

Исследователи направляли нервные волокна из канала сомы через гидрогель в слой кератиноцитов, оптимизируя состав и концентрацию компонентов внеклеточного матрикса (включая коллаген I типа с ламинином или без него). Первичные клетки, выделенные из крыс, культивировали в течение 1 недели. Аксоны в чипе пересекали каналы с матриксом и достигали эпидермальных каналов, формируя сеть только из аксонов, образуя плотную аксональную сеть в виде пучков.

Развитие эпидермиса на границе раздела воздух-жидкость

Базальные кератиноциты, прилегающие к внеклеточному матриксу, формировали дермо-эпидермальное соединение. Интегрировав наклонную границу раздела воздух-жидкость, команда ускорила пролиферацию и дифференцировку кератиноцитов для построения эпидермального слоя. Совместное культивирование кератиноцитов и сенсорных нейронов в чипе позволило изучить их структуру и функцию. Гистология подтвердила воспроизведение клеточной гистологии иннервированного эпидермиса.

Функциональная интеграция и моделирование гипергликемии на чипе

Иннервация сенсорными нейронами в чипе влияла на развитие эпидермиса, увеличивая его толщину и скорость дифференцировки. Ученые изучили функциональное взаимодействие, в том числе ноцицептивную трансдукцию (трансдукцию боли), исследуя экспрессию механосенсорных ионных каналов, таких как TRPV1 и TRPV4, в ответ на topical application капсаицина.

Чтобы понять эффект гипергликемии при диабетической нейропатии, команда смоделировала условия, подобные гипергликемии, на микрофлюидном чипе. Результаты показали нарушение барьерной функции при высоком уровне глюкозы, что имитирует восприимчивость кожи пациентов с диабетом и предлагает возможный механизм для острой гипергликемии или преддиабета.

Перспективы

Таким образом, была изучена сложная коммуникация между различными клетками микроокружения кожи в 3D микрофлюидной системе совместного культивирования с иннервированными эпидермальными слоями. Параметры co-culture на чипе позволили сформировать организованный иннервированный слой кератиноцитов.

Ученые разработали надежные микрофлюидные протоколы для воспроизведения биомиметической среды в лаборатории и моделирования гипергликемии для понимания патофизиологических изменений при этиологии диабетической нейропатии. В перспективе они планируют интегрировать в чип дополнительные клеточные компоненты кожи для высокопроизводительного скрининга лекарств.