[发明专利]一种人体微生态系统芯片及其使用方法

说明书

一种人体微生态系统芯片，属于医药研究及人体相关监控应用领域，使用“PDMS A板‑多孔膜‑PDMS B板”的三明治结构实现下层PDMS A板构建肠‑肝‑心脏/脑‑女性生殖道系统集成“器官芯片”模拟真实人体血液循环；上层PDMS B板中培养人体微生物；多孔膜从含人体微生物的培养基中过滤出人体微生物代谢物，由PDMS B板进入PDMS A板中。在PDMS A板中各细胞培养腔室之间的微流设有微阀，通过控制微阀调节培养基流动。本发明可用于精准、精简、高效研究、评测与管控人体微生物代谢物和该个体多“器官”之间的相互作用；通过在培养腔内培养对应人体细胞及控制培养基的流动，实现对真实人体存在的脑脊液循环及直接神经连接的仿生，为医药研究及人体相关监控应用奠定研究基础。

技术领域

本发明属于医药研究及人体相关监控应用领域，涉及一种多“器官”系统集成的人体微生态系统芯片及其使用方法，可用于精准、精简、高效研究、评测与管控人体微生物代谢物和该个体多“器官”之间的相互作用。

背景技术

人生活在一个由种类繁多的微生物编织成的庞大繁杂的生态系统网之中。近些年随着“肠-脑”轴等概念的提出，肠道微生物在人体代谢中作用越来越受到研究者们的重视。肠道微生物主要位于人体胃肠道中，其分泌的代谢产物被人体肠上皮细胞吸收进入肝门静脉，进而进入人体血液循环，影响人体多个器官的代谢。人体微生物代谢物中以短链脂肪酸与脂多糖最受研究者们关注，二者与人体相关疾病的产生与预防有着密不可分的联系。短链脂肪酸是指含1-6个碳原子的有机脂肪酸，据已有文献报道，使用短链脂肪酸处理从罹患癫痫的年轻男性大脑中取下的颞叶组织切片，可以减少颞叶组织过度兴奋。其中的乙酸、丙酸及丁酸参与的人体的相关信号通路中相关受体更是常被用于肠道微生物与中枢神经系统之间的信息交流研究中。脂多糖是有脂质与多糖构成的生物大分子，结构复杂，是革兰氏阴性菌细胞壁外壁的组成成分。脂多糖具有生物毒性，一般情况下，脂多糖只有等细菌死亡或细菌外壁遭受到外力破坏时才会从细胞壁上脱落，并作用于动物细胞发挥其毒性作用，并且在研究中静脉注射1ng/mL的脂多糖就可引起哺乳动物的休克反应，因此脂多糖也被称作细菌内毒素。现有的人体微生物代谢物与人体代谢相关研究中多使用动物模型进行研究，由于人与动物存在着种属差异，研究所得出的结果用于实际应用中是极其有限的。随着近些年“器官芯片”的研究不断深入，多“器官”系统集成模拟真实人体生理循环研究在技术上已成为可能。另外，基于目前已成熟的微流控技术开发出来的“器官芯片”以其成本低廉与实际用量少等优点，自然成为了人体微生态与人体多器官相互作用研究的最佳研究与评估平台。目前国内外研究中已形成肺、肠、肝、心等“器官芯片”，且在关键功能上接近对应真实人体器官。单一的“器官芯片”还过于简单，不足以达到研究人体生理循环的要求，而多“器官”系统集成芯片用于真实人体生理循环是极佳的研究方案，具有重要的临床应用价值，但在实践上其还处于萌芽时期。基于这一背景，建立一种可用于精准、精简、高效研究、评测与管控人体微生物代谢物和该个体多“器官”之间的相互作用的多“器官”系统集成的人体微生态系统芯片具有非常高的应用价值。基于此芯片，可以通过在相应培养腔内培养对应人体细胞及控制培养基的流动，实现对真实人体存在的血液循环、脑脊液循环及直接神经连接的仿生，为医药研究及人体相关监控应用奠定了研究基础。

发明内容

针对上述多“器官”集成芯片构建所面临的问题，本发明基于微纳流控技术提供了一种多“器官”系统集成的人体微生态系统芯片，可用于精准、精简、高效研究、评测与管控人体微生物代谢物和该个体多“器官”之间的相互作用。具体为使用“PDMS A板-多孔膜-PDMS B板”的三明治结构实现下层PDMS A板构建肠-肝-心脏/脑-女性生殖道系统集成“器官芯片”模拟真实人体血液循环；上层PDMS B板中培养人体微生物；多孔膜从含人体微生物的培养基中过滤出人体微生物代谢物，并使之由PDMS B板进入PDMS A板中。在PDMS A板中各细胞培养腔室之间的微流控管道中有相应的微阀，通过控制相应的微阀可调节培养基的流动。另外，该人体微生态芯片通过在相应培养腔内培养对应人体细胞及控制培养基的流动，实现对真实人体存在的脑脊液循环及直接神经连接的仿生，为医药研究及人体相关监控应用奠定了研究基础。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：