肺泡除负责气体交换外，也是工程纳米材料、空气污染物和病原体等进入人体的入口。肺泡还提供了肺部药物输送的途径。因此肺泡模型对研究肺部生理病理机制、评估化学和工程纳米材料的毒性以及开发新的治疗方法至关重要。动物模型和人类在解剖学、生理学和基因组学的差异限制了动物模型向临床研究的转化应用。传统的细胞培养模型和现有的肺泡芯片模型无法模拟一些关键的肺泡微环境特征，如气液界面、间质微流体和/或肺部呼吸运动。更为关键的是，这些模型的寿命较短，从而限制了它们的应用。因此具有长寿命的生理相关性人肺泡间质模型对肺相关的研究至关重要的。
近日，北德州大学杨勇教授在ACS Applied Materials & Interface上发表了具有长生命周期仿生人肺泡间质芯片的研究。该肺泡间质芯片模拟了关键的肺泡微环境因素，包括作为基底膜类似物的电纺纳米纤维膜，上皮细胞与嵌入三维胶原凝胶中的成纤维细胞共培养、生理相关的间质硬度、间质微流体和模拟呼吸的三维机械拉伸。
图1. 人肺泡间质芯片的设计与制作。(a) 人类肺泡的示意图。(b) 芯片的设计，(c) 照片，(d) 芯片的制造过程。
经过孔径优化的电纺纳米纤维膜促进了致密肺泡上皮的形成。上皮细胞呈现人肺泡上皮II型（ATII）细胞的典型超微结构特征：立方体形状并呈现顶端微绒毛。芯片中关键的肺泡微环境因素，如纳米纤维膜、 胶原蛋白-纤维蛋白混合凝胶间质基质、间质微流体和模拟呼吸的三维机械拉伸等促进了上皮的屏障功能和延长了芯片的寿命到两个月以上。在芯片上开展的多壁碳纳米管毒性评估证实，增强的上皮屏障阻碍了碳纳米管的渗透，从而降低了成纤维细胞的炎症反应。
图2. 肺间质芯片的长期培养。芯片上皮细胞的 (a) 低倍和 (b) 高倍扫描电镜图像。b 中的黄色箭头指向肺泡上皮微绒毛。(c) 芯片中上皮细胞和细胞外基质的扫描电镜图像。(d)上皮细胞的葡聚糖渗透。*与 Transwell 模型相比，p < 0.05。
本文设计的肺泡间质芯片密切模仿了人肺泡的关键解剖学和生理学特征。这些肺泡微环境因素可以进行微调，以维持上皮和间质的稳态，以近一步增强上皮屏障功能和延长芯片寿命。该仿生肺泡间质芯片将为药物开发和疾病建模提供有效的体外模型。
相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，北德州大学满坤博士为文章的第一作者， 杨勇教授为通讯作者。
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