低剪切微流控装置及其使用方法和制造方法
阅读：720发布：2023-02-25
专利汇可以提供低剪切微流控装置及其使用方法和制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本文所提供的内容涉及用于生产和使用具有中央通道的主体的方法和系统，所述中央通道由一个或多个膜分隔开。所述膜被配置为将中央通道分隔为至少一个中通道和至少一个微通道。中通道的高度实质上大于微通道的高度。可通过中通道施加气态 流体 ，同时使得液态流体流经微通道。本文所述的系统和方法可用于各种应用，包括例如：原代细胞例如(人 肺 细胞)以及需要低剪切和/或复层结构的任何其它细胞的生长和分化；或模拟活组织和/或器官中的微环境(以建立生理状态或 疾病 状态模型、和/或 鉴别 治疗 剂和/或 疫苗 )。该系统和方法还可以允许与一种或多种不同的细胞类型进行共培养。，下面是低剪切微流控装置及其使用方法和制造方法专利的具体信息内容。
1.一种装置，所述装置包括：
a.主体，所述主体包括其中的中央通道；和
b.位于所述中央通道内并沿着平面的膜，所述膜被配置为分隔所述中央通道，以形成至少一个微通道和至少一个中通道，其中，所述中通道的高度实质上大于所述微通道的高度。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述中通道与所述微通道的高度之比的范围为约
2.5:1至约50:1。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述中通道与所述微通道的高度之比的范围为约5:1至约25:1。
4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述膜是刚性的。
5.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述膜是至少部分柔性的。
6.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述膜的厚度为约1μm至约100μm。
7.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述膜的厚度为约100nm至约50μm。
8.如权利要求1-7中任一项所述的装置，其中，所述膜是非多孔的。
9.如权利要求1-8中任一项所述的装置，其中，所述膜是至少部分多孔的。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述膜的孔的直径为约0.1μm至约15μm。
11.如权利要求9或10所述的装置，其中，孔的中心到中心的间距范围为约1μm至约100μm。
12.如权利要求1-11中任一项所述的装置，其中，所述中通道的一端适于接合至气流调节装置。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述气流调节装置适于提供单向气流或双向气流。
14.如权利要求12或13所述的装置，其中，所述气流调节装置包含气体接收室，所述气体接收室具有至少一个由柔性隔膜封闭的端部。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述气体接收室随着所述柔性隔膜的移动而膨胀或收缩。
16.如权利要求1-15中任一项所述的装置，其中，所述中通道的另一端适于接合至气流发生器。
17.如权利要求1-16中任一项所述的装置，其中，所述主体还适于在所述中央通道内提供所述膜的机械调节。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述主体还包括第一操作通道，所述第一操作通道通过第一通道壁与所述微通道和所述中通道分隔开，其中，所述膜的第一边缘被固定至所述第一通道壁，并且所述膜的第二边缘被固定至所述中央通道对面的壁；并且其中，所述第一操作通道位于所述膜周围，从而施加至所述第一操作通道与所述中央通道之间的压力差使得所述膜沿着所述中央通道内的所述平面在第一期望方向上伸展或缩回。
19.如权利要求18所述的装置，其中，所述主体还包括第二操作通道，所述第二操作通道通过第二通道壁与所述微通道和所述中通道分隔开，其中，所述膜的第二边缘被固定至所述第二通道壁；并且其中，所述第二操作通道位于所述膜周围，从而施加至所述第二操作通道与所述中央通道之间的压力差使得所述膜沿着所述中央通道内的所述平面在第二期望方向上伸展或缩回。
20.如权利要求18或19所述的装置，其中，所述第一操作通道的第一高度和所述第二操作通道的第二高度小于所述中央通道的高度。
21.如权利要求18-20中任一项所述的装置，其中，所述第一操作通道和所述第二操作通道的至少一个或两者对称地排列在所述膜周围。
22.如权利要求1-21中任一项所述的装置，其中，所述微通道的高度范围为约20μm至约
1mm。
23.如权利要求1-21中任一项所述的装置，其中，所述微通道的高度范围为约50μm至约
200μm。
24.如权利要求1-23中任一项所述的装置，其中，所述中通道的尺寸被配置为提供适于细胞生长和/或细胞分化的流体剪切应力。
25.如权利要求1-24中任一项所述的装置，其中，所述中通道的高度足以形成复层组织或三维组织。
26.如权利要求1-25中任一项所述的装置，其中，所述中通道的高度与所述中央通道的宽度之间的长宽比范围为约1:5至约25:1。
27.如权利要求1-26中任一项所述的装置，其中，所述中通道的高度范围为约100μm至约50mm。
28.如权利要求1-27中任一项所述的装置，其中，所述中央通道的宽度范围为约200μm至约10mm。
29.如权利要求1-28中任一项所述的装置，其中，所述膜的至少一个表面包含粘附至其上的细胞。
30.如权利要求29所述的装置，其中，所述细胞形成一个或多个细胞层。
31.如权利要求29或30所述的装置，其中，所述细胞选自于由哺乳动物细胞、植物细胞、昆虫细胞以及它们的任意组合所组成的组。
32.如权利要求31所述的装置，其中，所述哺乳动物细胞包括人类细胞。
33.如权利要求31所述的装置，其中，所述哺乳动物细胞包括动物细胞。
34.如权利要求29-33中任一项所述的装置，其中，所述细胞显示出对应于预先确定的生理终点的至少一个特性。
35.如权利要求34所述的装置，其中，所述预先确定的生理终点选自于由以下状态组成的组：成熟状态、分化状态、前体状态、复层状态、假复层状态、融汇状态、发炎状态、感染状态、受激状态、激活状态、抑制状态、正常健康状态、疾病特异性状态、生长状态、迁移状态、变态状态或它们的任意组合。
36.如权利要求35所述的装置，其中，所述疾病特异性状态为疾病、疾患或损伤的特定阶段。
37.如权利要求35或36所述的装置，其中，所述疾病特异性状态包括癌状态。
38.如权利要求35-37中任一项所述的装置，其中，所述疾病特异性状态与肠疾病相关，所述肠疾病选自于由以下肠疾病组成的组：炎性肠病、Crohn病、溃疡性结肠炎、乳糜泻、血管发育不良、阑尾炎、肠扭转、慢性功能性腹痛、腹腔疾病、结直肠癌、憩室病、子宫内膜异位、肠道病毒、肠胃炎、Hirschsprung病、回肠炎、肠易激综合征、息肉、伪膜性结肠炎或它们的任意组合。
39.如权利要求35-37中任一项所述的装置，其中，所述疾病特异性状态与肺疾病相关，所述肺疾病选自于由以下肺疾病组成的组：哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺动脉高压、辐射诱导损伤、囊性纤维化或它们的任意组合。
40.如权利要求35-37中任一项所述的装置，其中，所述疾病特异性状态与空气传播疾病相关。
41.如权利要求40所述的装置，其中，所述空气传播疾病为细菌感染或病毒感染。
42.如权利要求29-41中任一项所述的装置，其中，所述细胞的至少一部分选自于由以下细胞组成的组：上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、基底细胞、纤毛细胞、黏液分泌细胞、柱状细胞、杯状细胞、肌肉细胞、免疫细胞、神经细胞、造血细胞、肺细胞(例如肺泡上皮细胞、气道细胞、支气管细胞、气管细胞和鼻上皮细胞)、消化道细胞、肠细胞、脑细胞、干细胞、皮肤细胞、肝细胞、心脏细胞、脾细胞、肾细胞、胰腺细胞、生殖细胞、血细胞(包括例如白细胞、红细胞、血小板和造血干细胞以及祖细胞)以及它们的任意组合。
43.如权利要求29-42中任一项所述的装置，其中，对所述细胞加以选择以创建对组织的至少一部分的细胞行为进行模仿的体外模型。
44.如权利要求43所述的装置，其中，所述组织选自于由以下组织所组成的组：气道、支气管、肠、皮肤、脉络丛、肝脏、心脏和胃肠道。
45.如权利要求29-44中任一项所述的装置，其中，所述膜面向所述中通道的第一表面包含组织特异性细胞，所述组织特异性细胞需要低剪切和/或空间以形成复层组织。
46.如权利要求45所述的装置，其中，所述组织特异性细胞包括上皮细胞、基底细胞、纤毛细胞、柱状细胞、杯状细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞或者它们的任意组合。
47.如权利要求45或46所述的装置，其中，对所述组织特异性细胞加以选择以创建对气道的至少一部分的细胞行为进行模仿的体外模型，所述细胞包括气道上皮细胞、支气管上皮细胞、鼻上皮细胞、或者它们的任意组合。
48.如权利要求29-47中任一项所述的装置，其中，所述膜面向所述微通道的第二表面包含血管相关的细胞。
49.如权利要求48所述的装置，其中，所述血管相关的细胞包括内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、周皮细胞或它们的任意组合。
50.如权利要求1-49中任一项所述的装置，其中，所述膜涂覆有至少一种细胞粘附剂。
51.如权利要求50所述的装置，其中，所述至少一种细胞粘附剂包含细胞外基质分子。
52.如权利要求51所述的装置，其中，所述细胞外基质分子包括糖蛋白、胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、玻连蛋白、弹性蛋白、纤维蛋白、蛋白聚糖、硫酸肝素、硫酸软骨素、硫酸角质素、透明质酸、纤维蛋白、壳聚糖或它们的任意组合。
53.如权利要求1-52中任一项所述的装置，其中，所述膜和/或所述装置的主体包含生物相容性聚合物。
54.如权利要求53所述的装置，其中，所述生物相容性聚合物包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯、硅或它们的任意组合。
55.如权利要求1-54中任一项所述的装置，其中，所述膜和/或所述装置的主体包含细胞外基质聚合物、凝胶或支架。
56.如权利要求1-55中任一项所述的装置，其中，所述中央通道是线性的。
57.如权利要求1-55中任一项所述的装置，其中，所述中央通道包含非线性部分。
58.如权利要求1-57中任一项所述的装置，其中，所述第一操作通道和/或第二操作通道的高度大于所述中央通道的高度。
59.如权利要求1-57中任一项所述的装置，其中，所述第一操作通道和/或第二操作通道的高度实质上与所述中央通道的高度相同，或小于所述中央通道的高度。
60.一种方法，所述方法包括：
提供至少一个装置，所述装置包括：
a.主体，所述主体包括其中的中央通道；以及
b.位于所述中央通道内并沿着平面的至少部分多孔的膜，所述膜被配置为将所述中央通道分隔开，以形成第一子通道和第二子通道，其中，至少所述第一子通道具有足以形成复层结构的高度；
将组织特异性细胞接种在所述膜面向所述第一子通道的第一表面上；以及
在气-液界面处培养所述第一表面上的所述组织特异性细胞。
61.如权利要求60所述的方法，其中，在所述气-液界面处进行所述培养之前，所述组织特异性细胞形成第一细胞单层。
62.如权利要求61所述的方法，其中，所述第一细胞单层是通过对浸没在所述第一子通道内的第一液态流体中的所述组织特异性细胞进行培养而形成的。
63.如权利要求60-62中任一项所述的方法，其中，所述气-液界面是通过使所述第一子通道中具有气态流体并且使所述第二子通道中具有第二液态流体而形成的。
64.如权利要求63所述的方法，其中，所述第二液态流体包含至少一种分化诱导剂。
65.如权利要求60-64中任一项所述的方法，其中，在所述气-液界面处经过一段时间的所述培养，所述组织特异性细胞的至少一部分达到了预先确定的生理终点。
66.如权利要求60-65中任一项所述的方法，所述方法还包括使气态流体流经所述第一子通道。
67.如权利要求60-66中任一项所述的方法，所述方法还包括使液态流体流经所述第二子通道。
68.一种方法，所述方法包括：
提供至少一个装置，所述装置包括：
a.主体，所述主体包含其中的中央通道；以及
b.位于所述中央通道内并沿着平面的至少部分多孔的膜，所述膜被配置为将所述中央通道分隔开，以形成第一子通道和第二子通道，其中，至少所述第一子通道具有足以形成复层结构的高度；以及
c.在所述膜面向所述第一子通道的第一表面上的组织特异性细胞，其中，所述细胞显示出对应于预先确定的生理终点的至少一个特性，
使气态流体流经所述第一子通道；以及
使液态流体流经所述第二子通道。
69.如权利要求66-68中任一项所述的方法，其中，所述气态流体保持静态流动。
70.如权利要求66-68中任一项所述的方法，其中，使所述气态流体连续地流经所述第一子通道。
71.如权利要求66-68中任一项所述的方法，其中，使所述气态流体间歇地或周期性地流经所述第一子通道。
72.如权利要求60-71中任一项所述的方法，其中，所述第一子通道的高度被配置为提供适于细胞生长和/或细胞分化的空气剪切应力。
73.如权利要求72所述的方法，其中，所述空气剪切应力的范围为约0.01dyne/cm2至约
2
2000dyne/cm。
74.如权利要求60-73中任一项所述的方法，其中，所述第一子通道的高度为至少约100μm或约500μm。
75.如权利要求60-74中任一项所述的方法，其中，所述第二子通道的高度实质上小于所述第一子通道的高度。
76.如权利要求75所述的方法，其中，所述第二子通道的高度为约20μm至约1mm、或约50μm至约200μm。
77.如权利要求60-76中任一项所述的方法，其中，所述第二子通道的高度实质上与所述第一子通道的高度相同。
78.如权利要求60-77中任一项所述的方法，其中，所述预先确定的生理终点选自于由以下状态组成的组：成熟状态、分化状态、前体状态、复层状态、假复层状态、融汇状态、发炎状态、感染状态、受激状态、激活状态、抑制状态、正常健康状态、疾病特异性状态、生长状态、迁移状态、变态状态或它们的任意组合。
79.如权利要求78所述的方法，其中，所述疾病特异性状态是疾病、疾患或损伤的特定阶段。
80.如权利要求78或79所述的方法，其中，所述疾病特异性状态包括癌状态。
81.如权利要求65-80中任一项所述的方法，其中，通过与所述预先确定的生理终点相关的至少一个标记物的存在来对所述预先确定的生理终点进行检测。
82.如权利要求60-81中任一项所述的方法，其中，所述组织特异性细胞包括哺乳动物细胞。
83.如权利要求60-82中任一项所述的方法，其中，所述组织特异性细胞包括气道上皮细胞、支气管上皮细胞和/或鼻上皮细胞。
84.如权利要求83所述的方法，其中，所述气道上皮细胞或支气管上皮细胞的所述生理终点为所述气道上皮细胞或支气管上皮细胞向纤毛细胞和/或黏液分泌细胞的分化。
85.如权利要求84所述的方法，其中，通过纤毛相关标记物、杯状细胞相关标记物、以及紧密连接相关的标记物中的至少一种的存在来对所述分化状态进行检测。
86.如权利要求60-85中任一项所述的方法，所述方法还包括使用视黄酸对分化的细胞进行处理。
87.如权利要求86所述的方法，其中，所述视黄酸逆转了鳞状表型。
88.如权利要求60-87中任一项所述的方法，其中，所述第一子通道的一端适于接合至气流调节装置。
89.如权利要求88所述的方法，其中，所述气流调节装置适于提供所述气态流体的单向流动和/或双向流动。
90.如权利要求89所述的方法，其中，所述气态流体的双向流动模拟了呼吸过程中的气流。
91.如权利要求88-90中任一项所述的方法，其中，所述气流调节装置包括气体接收室，所述气体接收室的至少一端被柔性隔膜封闭。
92.如权利要求91所述的方法，其中，所述气体接收室随所述柔性隔膜的移动而膨胀或收缩。
93.如权利要求60-92中任一项所述的方法，所述方法还包括检测流经所述第一子通道的粒子的纤毛清除。
94.如权利要求60-93中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述膜面向所述第二子通道的第二表面上形成第二细胞层。
95.如权利要求94所述的方法，其中，所述第二细胞层包含血管相关的细胞。
96.如权利要求95所述的方法，其中，所述血管相关的细胞包括内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、周皮细胞或它们的任意组合。
97.如权利要求60-96中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述中央通道内创建模仿组织特异性病症(例如，处于正常健康状态或处于疾病特异性状态)的体外模型。
98.如权利要求97所述的方法，其中，所述组织特异性细胞适于显示出与处于疾病特异性状态的所述组织特异性症状相关的至少一个特性。
99.如权利要求98所述的方法，其中，所述组织特异性细胞为分离自至少一个受试者的疾病特异性细胞。
100.如权利要求98所述的方法，其中，所述组织特异性细胞与病症诱导剂接触，所述病症诱导剂能够诱导所述组织特异性细胞，以获得与所述疾病特异性状态相关的至少一个特性。
101.如权利要求100所述的方法，其中，所述病症诱导剂包括物理试剂或环境刺激(例如，辐射或气流节律)。
102.如权利要求100或101所述的方法，其中，所述病症诱导剂包括化学试剂和/或生物试剂(例如，病原体和/或促炎剂)。
103.如权利要求97-102中任一项所述的方法，其中，所述组织特异性病症与肺部疾病、疾患和/或损伤、或者空气传播疾病相关。
104.如权利要求103所述的方法，其中，被选择用于对与肺部疾病、疾患和/或损伤或空气传播疾病相关的所述病症进行模仿的所述组织特异性细胞包括气道上皮细胞、支气管上皮细胞和/或鼻上皮细胞。
105.如权利要求103或104所述的方法，其中，所述肺部疾病、疾患和/或损伤选自于由急性肺损伤、慢性肺部疾患、肺部感染和肺癌组成的组。
106.如权利要求103所述的方法，其中，所述空气传播疾病是病毒感染或细菌感染。
107.如权利要求105所述的方法，其中，所述急性肺损伤包括由细菌性败血症、出血性休克、中毒性吸入、药物诱导的肺损伤(例如，博莱霉素诱导的肺损伤)或它们的任意组合导致的肺损伤。
108.如权利要求105所述的方法，其中，所述慢性肺部疾患包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘、囊性纤维化、纤维化病症、结节病、特发性肺纤维化。
109.如权利要求97-102中任一项所述的方法，其中，所述组织特异性病症与肠道疾病或疾患相关。
110.如权利要求109所述的方法，其中，被选择对与所述肠道疾病或疾患相关的病症进行模仿的所述组织特异性细胞包括肠细胞、结肠细胞、阑尾细胞、回肠细胞、盲肠细胞、十二指肠细胞、空肠细胞或它们的任意组合。
111.如权利要求109或110所述的方法，其中，所述肠道疾病、疾患和/或损伤选自于由以下各项组成的组：炎性肠病、Crohn病、溃疡性结肠炎、乳糜泻、血管发育不良、阑尾炎、肠扭转、慢性功能性腹痛、腹腔疾病、结直肠癌、憩室病、子宫内膜异位、肠道病毒、肠胃炎、Hirschsprung病、回肠炎、肠易激综合征、息肉、伪膜性结肠炎或它们的任意组合。
112.如权利要求60-111中任一项所述的方法，所述方法还包括将所述组织特异性细胞与测试试剂相接触。
113.如权利要求112所述的方法，其中，所述组织特异性细胞通过作为气溶胶或液体经所述第一子通道输送、和/或通过从所述第二子通道扩散，而与所述测试试剂接触。
114.如权利要求112或113所述的方法，其中，所述测试试剂选自于由以下试剂组成的组：蛋白质、肽、核酸、抗原、纳米粒子、环境毒素或污染物、香烟烟雾、在化妆品中使用的粒子或化学品、小分子、药物或候选药物、疫苗或候选疫苗、气溶胶、促炎剂、包括花粉在内的天然存在的粒子、化学武器、病毒、细菌、单细胞生物、细胞因子以及它们的任意组合。
115.如权利要求112-114中任一项所述的方法，所述方法还包括进行药代动力学、药效学、或药代动力学-药效学(PK-PD)试验和/或所述测试试剂对所述细胞的作用分析，从而确定所述测试试剂对所述细胞的体外药代动力学和/或药效学作用。
116.如权利要求112-115中任一项所述的方法，所述方法还包括测量在所述膜的至少一侧上的所述细胞对以下各项的响应：所述测试试剂、离开所述第一子通道的所述气态流体、离开所述第二子通道的所述液态流体或者它们的任意组合。
117.如权利要求116所述的方法，其中，对所述细胞的响应进行的所述测量包括测量流经所述第二子通道的免疫细胞粘附作用、细胞标记、免疫染色、光学成像或显微成像(例如，免疫荧光显微术和/或扫描电子显微术)、基因表达分析、细胞因子/趋化因子分泌分析、代谢物分析、聚合酶链反应、免疫测定、ELISA、基因阵列或者它们的任意组合。
118.如权利要求116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各项的测量确定了所述测试试剂对所述细胞的作用：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
119.如权利要求118所述的方法，其中，所述作用包括纤毛清除、细胞活力、细胞层渗透性、细胞形态、蛋白质表达、基因表达、细胞粘附作用、免疫细胞粘附性、细胞分化、细胞因子或趋化因子生成、炎症或它们的任意组合。
120.如权利要求116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各项的测量确定了所述测试试剂的效力：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
121.如权利要求116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各项的测量确定了所述测试试剂的毒性：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
122.如权利要求116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各项的测量确定了所述测试试剂的效力机制或毒性机制：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
123.如权利要求116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各项的测量确定了物理-化学参数、药代动力学参数或药效学参数：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
124.如权利要求112-123中任一项所述的方法，其中，当所述组织特异性细胞适于病症特异性时，对所述测试试剂的作用进行的所述测定鉴别出用于治疗所述病症的治疗剂。
125.如权利要求112-123中任一项所述的方法，其中，当所述组织特异性细胞具有患者特异性时，对所述测试试剂的作用进行的所述测定鉴别出用于受试者的个性化治疗。
126.如权利要求112-123中任一项所述的方法，其中，当所述组织特异性细胞具有患者群体特异性时，对所述测试试剂的作用进行的所述测定鉴别出针对该特定患者亚群具有特异性的治疗。
127.如权利要求60-126中任一项所述的方法，所述方法还包括使免疫细胞流经所述第二子通道。
128.如权利要求127所述的方法，其中，在所述第一子通道中的所述组织特异性细胞和在所述第二子通道中流动的所述免疫细胞形成了体外黏膜免疫模型。
129.如权利要求128所述的方法，其中，所述黏膜免疫模型适于确定疫苗的效力或免疫原性。
130.如权利要求127-129中任一项所述的方法，所述方法还包括测量所述免疫细胞的响应。
131.如权利要求130所述的方法，其中，所述免疫细胞的响应包括跨上皮迁移、成熟、活化、细胞杀伤和/或排液。
132.如权利要求60-131中任一项所述的方法，所述方法还包括将所述至少一个装置连接至第二装置，所述第二装置包括：
第二主体，所述第二主体包括其中的第二中央通道；以及
位于所述第二中央通道内并沿第二平面的第二膜，所述第二膜被配置为将所述第二中央通道分隔开，以形成第一子通道和第二子通道，其中，至少所述第一子通道具有足以形成复层结构的高度；以及
在所述第二膜面向所述第一子通道的第一表面上的第二组织特异性细胞，其中，所述第二组织特异性细胞显示出对应于第二预先确定的生理终点的至少一个特性。
133.如权利要求132所述的方法，所述方法还包括将来自所述至少一个装置的所述第一子通道的空气流送往所述第二装置的所述第一子通道。
134.如权利要求132或133所述的方法，其中，在所述至少一个装置中的所述组织特异性细胞包括病原体感染的细胞，并且在所述第二装置中的所述第二组织特异性细胞为正常健康细胞。
135.如权利要求132-134中任一项所述的方法，所述方法还包括测量所述病原体感染的细胞在暴露于所述空气流时的响应。
136.如权利要求132-135中任一项所述的方法，所述方法还包括测量所述正常健康细胞在暴露于来自所述至少一个装置的所述第一子通道的所述空气流时的响应。
137.如权利要求136所述的方法，其中，所测量的所述正常健康细胞的响应确定了空气传播病原体的传递性。
138.如权利要求60-137中任一项所述的方法，其中，所述膜是刚性的。
139.如权利要求60-137中任一项所述的方法，其中，所述膜是至少部分柔性的。
140.如权利要求60-139中任一项所述的方法，所述方法还包括机械地对所述膜进行调控以使其在所述中央通道内移动或变形。
141.如权利要求140所述的方法，其中，对所述膜进行的所述机械调节模拟了生理应变。
142.如权利要求141所述的方法，其中，所述模拟的生理应变实质上等同于由与呼吸、蠕动或心脏跳动相关的运动产生的应变。
143.如权利要求140-142中任一项所述的方法，其中，通过气动机构对所述膜进行机械调节。
144.如权利要求143所述的方法，其中，所述装置还包括第一操作通道，所述第一操作通道通过第一通道壁与所述第二和第一子通道分隔开，其中，所述膜的第一边缘被固定至所述第一通道壁，并且所述膜的第二边缘被固定至所述中央通道对面的壁；并且其中，所述第一操作通道具有小于所述中央通道的高度的第一高度。
145.如权利要求144所述的方法，其中，所述装置还包括第二操作通道，所述第二操作通道通过第二通道壁与所述第二和第一子通道分隔开，其中，所述膜的第二边缘被固定至所述第二通道壁；并且其中，所述第二操作通道具有小于所述中央通道的高度的第二高度。
146.如权利要求144或145所述的方法，所述方法还包括在所述第一操作通道和所述中央通道之间施加第一压力差，以使所述膜沿着所述中央通道内的所述平面伸展或缩回。
147.如权利要求145-146中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述第二操作通道和所述中央通道之间施加第二压力差，以使所述膜沿着所述中央通道内的所述平面伸展或缩回。
148.如权利要求146或147所述的方法，其中，所述施加第一压力差或第二压力差包括：
在所述第一操作通道或所述第二操作通道内施加周期性压力，从而使得固定至所述第一通道壁的所述膜的所述第一边缘和/或固定至所述第二通道壁的所述膜的所述第二边缘沿着所述中央通道内的所述平面伸展或缩回。
149.如权利要求60-148中任一项所述的方法，其中，在所述第二子通道中的所述液态流体包括细胞培养基和/或生物流体。
150.如权利要求149所述的方法，其中，所述生物流体包括血液。
151.一种制造微流控装置的方法，所述微流控装置包含微结构和中结构，其中，所述中结构的尺寸实质上大于所述微结构的尺寸，所述方法包括：
通过照片平印法，产生具有所述微结构的凸起特征的半导体晶片模具；以及
通过立体平印法，产生具有所述中结构的凸起特征的热塑性模具。
152.如权利要求151所述的方法，其中，所述中结构与所述微结构的尺寸相差至少2倍。
153.如权利要求151或152所述的方法，所述方法还包括通过在所述半导体晶片模具中进行铸造，以形成所述微结构。
154.如权利要求151-153中任一项所述的方法，所述方法还包括通过在所述热塑性模具中进行铸造，以形成所述中结构。
155.如权利要求154所述的方法，其中，所述形成的中结构具有光滑的表面光洁度。
156.如权利要求155所述的方法，其中，所述中结构的光滑的表面光洁度利于结合至所述微结构。
157.如权利要求151-156中任一项所述的方法，其中，所述中结构为位于第一基底的底部表面内的中通道。
158.权利要求151-157中任一项所述的方法，其中，所述微结构为位于第二基底的顶部表面内的微通道。
159.如权利要求157或158所述的方法，所述方法还包括将至少部分多孔的膜置于所述微通道的所述顶部表面和所述中通道的所述底部表面之间；并且在所述膜与所述第一基底和所述第二基底之间形成液封，从而形成在其中具有中央通道的所述装置的主体，其中，所述中央通道包括由所述膜分隔开的所述微通道和所述中通道。
160.如权利要求159所述的方法，其中，所述形成液封包括在所述膜与所述第一基底和所述第二基底之间形成化学键。
161.如权利要求160所述的方法，其中，通过使用粘附性化学涂层来形成所述化学键，从而将所述膜共价地键合至所述第一基底的底部表面和所述第二基底的顶部表面。
162.如权利要求161所述的方法，其中，所述粘附性化学涂层包含(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)。
163.如权利要求159-162中任一项所述的方法，其中，所述液封是可逆的，从而使得所述膜能够从所述装置上移除，用于检查。
164.如权利要求163所述的方法，其中，所述形成液封包括将在所述第一基底和所述第二基底之间的所述膜夹持在一起。
165.如权利要求159-164中任一项所述的方法，其中，所述形成液封包括在所述第一基底的顶部表面和所述第二基底的底部表面之间形成等离子键。
166.如权利要求157-165中任一项所述的方法，其中，所述第一基底、所述第二基底和/或所述膜包含聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、硅或它们的任意组合。
167.一种开发疫苗的方法，所述方法包括：
提供至少一个装置，所述装置包括：
a.主体，所述主体包含其中的中央通道；以及
b.位于所述中央通道内并沿着平面的至少部分多孔的膜，所述膜被配置为将所述中央通道分隔开，以形成第一子通道和第二子通道，其中，至少所述第一子通道具有足以形成复层结构的高度；以及
c.在所述膜面向所述第一子通道的第一表面上的组织特异性上皮细胞，
使气态流体流经所述第一子通道；
使包含免疫细胞的液态流体流经所述第二子通道；
使所述组织特异性上皮细胞与候选疫苗接触；
使所述接种疫苗的组织特异性上皮细胞与微生物接触；
测量所述组织特异性上皮细胞对所述微生物的响应，从而确定所述候选疫苗对所述微生物的效力。
168.如权利要求167所述的方法，其中，所述组织特异性上皮细胞以不同剂量与候选疫苗接触，从而确定所述候选疫苗对所述微生物的最佳剂量。
169.如权利要求167或168所述的方法，所述方法还包括测量所述免疫细胞的响应。
170.如权利要求169所述的方法，其中，所述免疫细胞的响应包括跨上皮迁移、成熟、活化、细胞杀伤和/或排液。
171.如权利要求60-170中任一项所述的方法，其中，所述中央通道是线性的。
172.如权利要求60-170中任一项所述的方法，其中，所述中央通道包括非线性部分。
173.如权利要求144-148中任一项所述的方法，其中，所述第一操作通道和/或所述第二操作通道的高度大于所述中央通道的高度。
174.如权利要求144-148中任一项所述的方法，其中，所述第一操作通道和/或所述第二操作通道的高度实质上等于或小于所述中央通道的高度。
低剪切微流控装置及其使用方法和制造方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2013年12月20日提交的美国临时申请No.61/919,193的优先权，以引用的方式将其内容整体并入本文。
[0003] 政府支持
[0004] 本发明是在由DARPA授予的基金号W911NF-12-2-0036的联邦政府支持下完成的。美国政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
背景技术
[0006] 机械力(推力、拉力、张力、压缩力)是细胞发育和细胞行为的重要调控因子。张拉整体(tensegrity)提供了下述结构，所述结构测定了这些物理力在细胞或组织内部是如何分布的，并测定了这些物理力如何以及在何处发挥其作用。
[0007] 在人体中，大部分细胞不断地经受着机械力，例如张力或压缩力。机械应变在培养基中的细胞的应用模拟了体内环境，在细胞中引起了剧烈的形态变化和生物力学响应。当将细胞机械地加载至培养基中时，发生长期变化和短期变化，例如：DNA或RNA合成或降解的速率和量的改变、蛋白质表达和分泌、细胞分裂和排列(alignment)的速率、能量代谢的变化、大分子合成或降解速率的改变、以及在生物化学和生物能学中的其它变化。
[0008] 每个细胞均具有内部支架或细胞骨架、由分子“柱和线”形成的网格。“线”是细丝的十字型网，称为微纤丝，它从细胞膜延伸至细胞核，施加向内的拉力。与拉力相对的是微管、细胞骨架较厚的压缩力承受“柱”、以及在所述细胞外膜上专门的受体分子(将细胞锚定至细胞外基质)、使细胞群保持在一起的纤维状物质。这种力的平衡是张拉整体的标志。
[0009] 组织是由细胞群构建的，就像鸡蛋坐在细胞外基质的“蛋箱”上。将细胞锚定至基质的受体分子被称为整合素，使细胞连接至更广阔的世界。在组织上的机械力首先被这些锚固点上的整合素感受到，然后由细胞骨架将其运载至每个细胞内部更深的区域。在细胞内，该力可能会使蛋白质分子振动或改变蛋白质分子的形状而引发生化反应，或在细胞核染色体上拉拽而激活基因。
[0010] 由于细胞骨架丝的恒定拉力，细胞也可以说是像肌肉一样具有“音调(tone)”。当在沿其长度的不同点施加力时，很像拉伸的小提琴琴弦产生不同的声音，根据它扭曲的程度，细胞对化学信号进行不同地处理。
[0011] 根据细胞被拉伸的程度，生长因子将具有不同的作用。被拉伸和扁平化的细胞(像那些在伤口表面的细胞)往往会生长并繁殖，而在过于拥挤的环境下夹紧的圆形细胞则开启“自杀”程序并死亡。相反，既不拉伸也不收缩的细胞则继续它们预期的功能。
[0012] 细胞张拉整体的另一条原则是物理位置的问题。当调控分子松散地漂浮在细胞内时，它们的活性几乎不受作为整体作用于细胞的机械力的影响。但是当调控分子附着于细胞骨架时，它们成为更大的网络的一部分，并处于影响细胞决策的地位。许多调控分子和信号分子锚定于细胞表面的膜的细胞骨架上，位于被称为粘附位点的位置，在该处整合为集落。这些极佳的位置是关键的信号处理中心，就像计算机网络的节点，其中，相邻分子可以接收来自外部世界的机械信息并交换信号。
[0013] 因此，在生理环境下对药物、药物递送载体、纳米诊断或疗法或环境应激源(如粒子、气体和毒素)的全面影响的评估，不仅需要细胞-细胞和细胞-化学相互作用的研究，而且需要研究这些相互作用在健康组织和患病组织中如何受到生理机械力的影响。
[0014] 使机械环境或在培养物中的细胞响应发生改变的方法包括通过以下方式对细胞造成伤害：刮单层、施加磁场或电场，或使用扭转装置施加静态或周期性的张紧或压缩、施加液压、或直接向培养的细胞施加重量。通过使细胞经受流体流动，还诱导了剪切应力。然而，这些程序几乎不能允许定量地施加应变或提供调控，从而在培养物微环境内以可再现的宽范围实现周期性变形，该微环境维持了生理相关的组织-组织相互作用。
[0015] 活器官是由两个或多个紧密并列的、共同发挥某功能的组织构成的三维血管化结构，并且在动态机械力(如流体剪切应变和机械应变)存在下，横跨组织-组织界面而传递材料、细胞和信息。含有活细胞的微装置的创建对复杂器官功能(例如免疫细胞的运输、营养吸收、感染、氧气和二氧化碳交换等)的研究具有巨大价值，并且对于药物筛选、毒理学、诊断和治疗也具有巨大价值，所述微装置重建了生理学组织-组织界面，并且允许流体流动和动态机械扭曲。
[0016] 主要的挑战在于实验工具的缺乏，该实验工具可以促进多细胞和多组织器官样结构的组装，该结构表现出关键结构组织、生理功能、以及肺泡-毛细血管单元的生理或病理机械活性，其在每个呼吸周期中通常经历反复膨胀和收缩。如果有可能使这个器官水平的结构再生并在体外重建其生理机械微环境，则这种限制是可以克服的。然而，还没有完全实现这一点。
[0017] 所需要的是能够在体外或体内使用的器官模拟装置，其发挥组织-组织相关的功能，并且还允许细胞在装置中响应化学力和机械力而自然地进行组织，并且使得通过膜进行细胞行为的研究，其模拟了组织-组织生理学。
发明内容
[0018] 现有的transwell技术已被广泛用于生长和分化人类细胞。本发明尤其涉及在微流控环境中用于人类细胞的生长和分化的平台和方法。先前开发的芯片器官(organ-on-chip)装置在国际专利申请PCT/US2009/050830和PCT/US2012/026934中进行了描述，以引用的方式将其整体并入本文。根据本发明的一个实施方式，微流控装置可以包括约1mm高的顶部中通道(mesochannel)和约100μm高的底部微通道。通过增加装置内顶部通道的至少长度部分的高度(例如期望细胞生长以形成复层(stratified)/假复层的或三维结构的长度部分)，该装置可为顶部通道的至少长度部分提供降低应变的微环境并为细胞的生长提供增加的顶部空间，所述细胞的生长需要低剪切力和/或更多的空间以形成复层的、假复层的或三维的组织结构。在一个实施方式中，气道上皮细胞(例如小气道上皮细胞和/或大气道上皮细胞)可以被培养在膜的面向中通道的表面上，并且可以分化成终末分化的纤毛和黏液分泌(杯状)细胞。期望培养在较高的顶部通道中的其它细胞包括但不限于心脏细胞、消化道细胞/肠细胞(gut cells/intestinal cells)、肝细胞、皮肤细胞和肾细胞(例如肾小球细胞)。例如，肠上皮细胞可以被培养在膜的面向中通道的表面上，并且形成三维肠绒毛。在一些实施方式中，动物细胞、昆虫细胞和植物细胞也可在本文中所描述的装置中使用。
[0019] 系统和方法包括具有由一个或多个膜分隔开的中央通道的主体。膜将中央通道分成两个以上紧密并列的平行中央子通道(中通道和微通道)，其中，可以通过至少一个中通道施加一个或多个第一流体(例如气态流体或液态流体)，并且通过一个或多个微通道施加一个或多个第二流体(例如液态流体)。可以对各膜的表面进行处理，或使用细胞粘附分子对其进行涂覆，以支持细胞附着至每层膜的上表面和/或下表面、和/或促进细胞在每层膜的上表面和/或下表面上组成组织，从而在相邻平行流体通道之间创建由一个或多个膜分隔开的一个或多个组织-组织界面。该膜可以是多孔的(例如可渗透的或选择性渗透的)、非多孔的(例如非渗透的)、刚性的、柔性的、弹性的或它们的任意组合。在一些实施方式中，该膜可以是多孔的，例如允许流体(例如气体和/或液体)交换/运输、分子(如营养物、细胞因子和/或趋化因子)通过、细胞迁移(transmigration)或它们的任意组合。在一些实施方式中，膜可以是非多孔的。流体压力、流动特性和通道几何形状可以变化，以将期望的流体(例如空气和/或液体)剪切应力施加至一个或两个组织层。
[0020] 在一些实施方式中，可以在本文所述装置中建立气-液界面以模仿生理微环境、例如气道，从而使得细胞行为更像体内的细胞，例如，气道上皮细胞分化为纤毛和/或黏液分泌细胞，以形成复层结构。在一些实施方式中，可以通过使中通道的一端适于接合至气流调节装置而将单向或双向的气体(例如空气)流引入至中通道内。
[0021] 在一些实施方式中，可以对装置的膜进行调节或致动(actuated)，以下述方式变形(例如伸展、缩回、压缩、扭曲和/或波动)，该方式模拟了细胞在其天然微环境(例如呼吸、蠕动和/或心脏跳动期间)中所经历的生理应变。在一些实施方式中，其中，操作通道(operating channel)与中央通道相邻，可以向操作通道施加正压力或负压力，进而可产生压力差，所述压力差使得膜例如响应于压力差而选择性地伸展和缩回，从而进一步从生理上模拟活组织-组织界面的机械力。例如，在一些实施方式中，在较高的中通道内培养肠细胞以增加顶部空间并降低液体剪切应力，并与将细胞暴露至通过使膜周期性地伸展和缩回而引起的类似生理蠕动的动作中相结合，可诱导人肠细胞形成三维绒毛结构。
[0022] 在一些实施方式中，本文所述装置可以允许两种以上不同的细胞类型培养在相同的通道(例如中通道或微通道)和/或不同的通道(例如，将至少一种细胞类型培养在中通道内，将至少一种细胞类型培养在微通道中；或者将第一细胞类型培养在第一中通道内，并将第二细胞类型培养在第二中通道内)。例如，可以将组织特异性上皮细胞培养在膜的面向中通道的一侧，同时可以将血管相关的细胞培养在膜的面向微通道的另一侧。仅作为示例，在一些实施方式中，可以将微生物细胞(例如健康的微生物菌落或病态的微生物菌落)与肠道上皮细胞一起培养在中通道内，以模仿正常肠或病态肠的体内生理微环境。
[0023] 在一些实施方式中，可以将免疫细胞加入至微通道中存在的液态流体中。在微通道中的液态流体可以是静态的，或者连续地、周期性地和/或间歇地流经微通道。当使用本文所述的试剂或细胞因子来刺激所模拟的生理微环境时，可以测定免疫细胞向膜的募集(recruitment)和/或组织特异性细胞的募集，以提供免疫响应的量度。在本文所述装置中诱导免疫细胞并对免疫细胞响应(例如免疫细胞募集、成熟、活化、细胞杀伤和/或排液(drainage))进行测量的能力使得可以开发更准确的组织特异性疾病模型，该模型考虑了受试者被疾病折磨时(除了在免疫受损的受试者中)通常在体内被激活的免疫响应。
[0024] 本文所述装置重现生理微环境和/或功能的能力可以提供用于各种应用的体外模型，例如但不限于对应于本文中所描述的生理终点的细胞生成；建立组织特异性生理条件(例如但不限于正常状态和疾病状态)模型；测定空气传播病原体的传播性(transmissibility)，开发黏膜免疫平台；鉴别治疗剂和疫苗；以及它们的任意组合。
附图说明
附图说明
[0025] 图1示出了系统的框图，所述系统采用了根据实施方式的示例性器官模仿装置。
[0026] 图2A示出了根据实施方式的器官模仿装置的透视图。
[0027] 图2B示出了根据实施方式的器官模仿装置的分解图。
[0028] 图2C示出了入口端口和出口端口在不同位置的器官模仿装置的透视图。上图示出了入口端口和出口端口位于本文所述装置的一部分的顶部表面。下图示出了入口端口和出口端口位于本文所述装置的一部分的侧面。
[0029] 图2D示出了根据实施方式的装置的细胞-细胞界面区域的示意图。
[0030] 图2E-图2F分别示出了根据实施方式的装置的顶部主体部分和底部主体部分的截面图。
[0031] 图2G示出了根据实施方式的装置的截面图。
[0032] 图2H示出了根据图2D所述的实施方式的装置的俯视图。
[0033] 图3A是照片平印(photolithography)工艺示意图，该工艺用于根据实施方式制造包含微通道的装置的底部主体部分。
[0034] 图3B是立体平印(stereolithography)工艺示意图，该工艺用于根据实施方式制造包含中通道的装置的顶部主体部分。
[0035] 图3C是示出了立体平印热塑性重建(右图)和高通道“晶片(wafer)”(左图)的CAD模型的一组图像。
[0036] 图4A-图4C示出了根据实施方式的装置中在膜与顶部主体部分和底部主体部分之间形成液封(fluidic seal)的不同方法。图4A示出了采用来自Aran等(2010)的3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)键合过程。图4B显示利用膜-PDMS表面区域在PDMS厚板之间的膜夹持。图4C示出了在两片PDMS厚板之间由PDMS厚板之间的等离子键(plasma bond)形成的密封物而密封的膜。
[0037] 图5A-图5G示出了在根据实施方式的装置中对人原代气道(或支气管)上皮细胞进行分化的示例性方法和由此产生的实验数据。图5A是示出了在根据实施方式的装置中对人支气管上皮细胞进行分化的示例性方法的示意图。将原代小气道上皮细胞或支气管上皮细胞接种于顶部中通道(“气道内腔”通道)内的膜上。然后通过向中通道和微通道引入静止的或流动的培养基，从而将细胞在浸没条件下进行培养，直至细胞实现完全融汇。然后，通过将培养基从中通道内由其出口移除来建立气-液界面。在装置中该气-液界面处培养大约3-4周后，原代气道上皮细胞发生分化。图5B是在由多孔膜与底部微通道(“血管”通道)分隔开的中通道内生长的人分化支气管上皮的示意图。图5C示出了当气-液界面(ALI)设立时，细胞接种后的形态。图5D是一组免疫荧光图像，其示出了原代小气道上皮在膜上的形成。对紧密连接蛋白(例如TJP-1和/或ZO-1)进行检测，以表明由所形成的上皮形成的功能化紧密连接屏障。图5E是一组免疫荧光图像和SEM图像，其示出了气道上皮细胞向纤毛细胞的分化。
图5F示出了在本文所述装置中分化的上皮原代细胞的3D视图(纤毛：由β微管蛋白IV检测；
黏液分泌：由Muc5AC检测)。图5G示出了沿着本文所述装置的中通道长度的纤毛细胞的代表性图像。在气-液界面处培养约3周后，大量纤毛跳动的均匀分布是体内上皮分化的标志。
图5F示出了在本文所述装置中分化的上皮原代细胞的3D视图(纤毛：由β微管蛋白IV检测；
黏液分泌：由Muc5AC检测)。图5G示出了沿着本文所述装置的中通道长度的纤毛细胞的代表性图像。在气-液界面处培养约3周后，大量纤毛跳动的均匀分布是体内上皮分化的标志。
[0038] 图6A-图6B示出了针对在transwell中和在根据实施方式的装置中的原代人小气道上皮细胞培养物的细胞活力数据。图6A的柱状图将在微流控装置(以模仿小气道)中的培养原代人小气道上皮细胞的毒性数据(基于细胞的LDH释放)与transwell中培养的细胞相比较。图6B为示出了在本文所描述的装置中形成完整上皮的健康小气道上皮细胞的显微图像。
[0039] 图7A-图7D示出了表明在根据实施方式的装置的中通道内进行人支气管上皮细胞分化的实验数据。图7A是一组荧光图像，其示出了人支气管上皮细胞在中通道生长约4周时，表现出人支气管上皮细胞在体内典型的分化标记物。可以使用β-微管蛋白作为标记物，以检测纤毛细胞(左上图)。正交部分(下图)示出了纤毛定位于培养物的顶侧，就像在体内观察到的那样。右图是示出了上皮三维重建的图像。图7B是一组荧光(左图)图像和SEM(右图)图像，其示出了在本文所述装置的中通道内的人支气管上皮细胞培养物在气-液界面处培养约3周后表现为纤毛细胞和杯状细胞。SEM图像示出了完全形成的纤毛。图7C是一组荧光图像，其示出了通过ZO-1和鬼笔环肽染色表明，在根据实施方式的装置的中通道内培养的分化人支气管细胞之间形成的紧密连接的存在。图7D是示出了在本文所述装置的中通道内形成的分化上皮屏障功能的图。通过将荧光标记的大分子(例如菊粉-FITC)加入至引入中通道的流体中，对屏障功能进行评估。分化的上皮阻止菊粉从中通道穿越至微通道，这表明上皮形成了功能性屏障。
[0040] 图8是示出了在多孔膜面向中通道的一侧上的人原代气道上皮细胞与多孔膜面向微通道的另一侧上培养的内皮细胞进行共培养的一组图像。
[0041] 图9是示出了用于嗜中性粒细胞募集试验的示例性实验设计的示意图。将原代小气道上皮细胞接种于中通道(“气道内腔”通道)内的膜上，用于按照图5A中所述的分化方法，分化成纤毛和杯状细胞。一旦细胞分化，可以将内皮细胞接种于多孔膜的另一表面，形成共培养。然后，可以将细胞与试剂相接触，并且通过测量嗜中性粒细胞在内皮单层上的附着来测定嗜中性粒细胞的募集。
[0042] 图10A-图10C示出了通过用促炎因子(例如TNFα)在装置中对分化的人原代气道(或支气管)上皮细胞进行激发(challenging)，从而对响应于所诱导的炎症的嗜中性粒细胞募集进行评价的示例性方法和由此产生的实验数据。图10A的示意图示出了使用根据实施方式的装置对响应于刺激的嗜中性粒细胞募集进行评价的示例性方法。将原代小气道上皮细胞接种于中通道(“气道内腔”通道)内的膜上，用于按照图5A中所述的分化方法，分化成纤毛和/或黏液分泌细胞。一旦气道上皮细胞分化，可以在膜的另一表面(面向微通道，“血管”通道)接种内皮细胞、或不接种内皮细胞。然后，用促炎因子(例如TNF-α)对中通道内分化的细胞进行激发。然后，使包含人嗜中性粒细胞的流体流经“血管”通道，以测定TNF-α诱导的炎症对嗜中性粒细胞募集的作用。图10B包括示出了对附着于中通道内分化上皮细胞的嗜中性粒细胞进行定量的数据图，所述分化上皮细胞在中通道内培养，使用TNFα处理、或不使用TNFα处理(右图)。定量基于对由显微成像获取的荧光图像(左图)中所附着的嗜中性粒细胞进行计数。图10C是示出了在特定时间点流经“血管”通道的嗜中性粒细胞的快照图像。
[0043] 图11A-图11D示出了在根据实施方式的装置中对分化的小气道上皮细胞和免疫细胞(任选)的感染响应进行评价的示例性方法和由其获得的实验数据。图11A是示出了在装置中评价感染响应的示例性方法的示意图。将原代小气道上皮细胞接种于中通道(“气道内腔”通道)内的膜上，用于按照图5A所述的分化方法，分化成纤毛和/或黏液分泌细胞。一旦气道上皮细胞分化，可以在膜的另一表面(面向微通道，“血管”通道)接种内皮细胞、或不接种内皮细胞。然后，使用toll样受体3(TLR-3)配体聚(I:C)对中通道内分化的细胞进行激发，以诱导炎症。将包含免疫细胞(例如人单核细胞)的流体以静态流体或流动流体的形式引入“血管”通道，以测定TLR-3诱导的炎症对分化细胞的细胞因子/趋化因子谱(profiles)和/或免疫细胞(例如单核细胞和/或嗜中性粒细胞)募集的作用。图11B是一组柱状图，其示出了TLR-3活化(类似流感的情况)通过在装置中的分化的气道上皮细胞刺激趋化因子(例如单核细胞化学引诱物和嗜中性粒细胞化学引诱物)的释放。图11C是示出了对附着于装置中TLR-3活化的分化上皮细胞上的单核细胞进行定量的一组数据及相关荧光图像。图11D是示出了使用或不使用TLR-3配体聚(I:C)处理后，分化的上皮细胞的基因表达的图。
[0044] 图12A-图12F示出了在根据实施方式的装置中，对不同试剂在感染期间对分化的小气道上皮细胞和免疫细胞(任选)的作用进行评价的示例性方法和由此产生的实验数据。图12A是示出在装置中模拟感染期间，评估不同试剂的作用的示例性方法的示意图。将来源于慢性阻塞性肺病(COPD)患者的原代人上皮细胞(从供应商处获得)接种在中通道(“气道内腔”通道)内的膜上，用于按照图5A所述的分化方法，分化成纤毛和/或黏液分泌细胞。一旦COPD上皮细胞分化，可以在膜的另一表面(面向微通道，“血管”通道)接种内皮细胞、或不接种内皮细胞。然后，用基础培养基对装置中的细胞进行饥饿处理，随后用不同的试剂(例如作为对照的DMSO、布地奈德、以及从制药公司获得的BRD4抑制剂化合物1和2)进行处理。
试剂从“血管”通道通过扩散输送至分化的上皮细胞。然后，使用TLR-3配体聚(I:C)对预处理的分化COPD上皮细胞进行激发(例如，约10μg/mL以气溶胶形式输送，流入中通道)，以刺激TLR-3并模仿病毒感染。从分化COPD上皮细胞中分泌的细胞因子和趋化因子在流经“血管”通道时进行定量，和/或从“气道内腔”通道的顶部洗涤物中进行定量。在一些实施方式中，将包含免疫细胞(例如人单核细胞)的流体以静态流体或流动流体形式引入“血管”通道，以测定TLR-3诱导的炎症对免疫细胞(例如单核细胞和/或嗜中性粒细胞)募集的作用。
图12B的一组图示出了通过分化的COPD上皮细胞(在暴露至TLR-3配体聚(I:C)之前用各种试剂进行预处理)产生并释放至“血管”通道的典型细胞因子和趋化因子(例如单核细胞化学引诱物和嗜中性粒细胞化学引诱物)。这表明，在降低响应于模拟病毒感染的细胞因子/趋化因子分泌方面，化合物2比化合物1更强效。图12C是总结了不同试剂对于将部分细胞因子/趋化因子从分化COPD上皮细胞释放至“血管”通道的作用的表格。图12D是总结了不同试剂对于分化COPD上皮细胞将部分细胞因子/趋化因子分泌至“气道内腔”通道的作用的表格。图12E是示出了在暴露至TLR-3配体聚(I:C)之前用各种试剂进行预处理的分化COPD上皮细胞的基因表达的图。图12F是示出了对在本文所述的装置中附着于TLR-3刺激的分化COPD上皮细胞上的嗜中性粒细胞进行定量的图。该图显示，化合物2在减少嗜中性粒细胞粘附方面更强效，而化合物1没有这样的作用，这样的结果与针对化合物2在降低炎症效力方面的制药公司内部数据是一致的，并且验证了该内部数据。
试剂从“血管”通道通过扩散输送至分化的上皮细胞。然后，使用TLR-3配体聚(I:C)对预处理的分化COPD上皮细胞进行激发(例如，约10μg/mL以气溶胶形式输送，流入中通道)，以刺激TLR-3并模仿病毒感染。从分化COPD上皮细胞中分泌的细胞因子和趋化因子在流经“血管”通道时进行定量，和/或从“气道内腔”通道的顶部洗涤物中进行定量。在一些实施方式中，将包含免疫细胞(例如人单核细胞)的流体以静态流体或流动流体形式引入“血管”通道，以测定TLR-3诱导的炎症对免疫细胞(例如单核细胞和/或嗜中性粒细胞)募集的作用。
图12B的一组图示出了通过分化的COPD上皮细胞(在暴露至TLR-3配体聚(I:C)之前用各种试剂进行预处理)产生并释放至“血管”通道的典型细胞因子和趋化因子(例如单核细胞化学引诱物和嗜中性粒细胞化学引诱物)。这表明，在降低响应于模拟病毒感染的细胞因子/趋化因子分泌方面，化合物2比化合物1更强效。图12C是总结了不同试剂对于将部分细胞因子/趋化因子从分化COPD上皮细胞释放至“血管”通道的作用的表格。图12D是总结了不同试剂对于分化COPD上皮细胞将部分细胞因子/趋化因子分泌至“气道内腔”通道的作用的表格。图12E是示出了在暴露至TLR-3配体聚(I:C)之前用各种试剂进行预处理的分化COPD上皮细胞的基因表达的图。图12F是示出了对在本文所述的装置中附着于TLR-3刺激的分化COPD上皮细胞上的嗜中性粒细胞进行定量的图。该图显示，化合物2在减少嗜中性粒细胞粘附方面更强效，而化合物1没有这样的作用，这样的结果与针对化合物2在降低炎症效力方面的制药公司内部数据是一致的，并且验证了该内部数据。
[0045] 图13A-图13D是在本文所述装置中模拟呼吸(respiration/breathing)的示例性实验设备或气流调节装置的照片。图13A是示出了用于对通过肺气道进行的呼吸(respiration/breathing)进行模拟的系统的总体照片。该系统包括根据实施方式的装置和任选的用于监测细胞的光学装置(例如显微镜)，其中，所述根据实施方式的装置的中通道适于连接至呼吸机(用于气流的产生)。可以使用预编程的计算机对装置内的呼吸动力学进行控制和/或监测。图13B示出了提供双向流动气流(其经过本文所述装置的中通道)的示例性方法。上图是芯片小气道的俯视示意图，展示了中通道(“气道内腔”通道)的入口和出口。下图显示出使用小型动物呼吸机等装置，可以将节律气流引入至中通道(例如，每分钟
15次呼吸；约100μL/呼吸的潮气量)。此外，中通道的出口适于连接至气流调节装置(例如可膨胀的腔室、如气球)，以促进空气从装置中呼出(由于腔室材料的弹性和顺度
(compliance))。图13C的照片示出了位于中通道(“气道内腔”通道)出口处的气球由于经中通道入口流入至装置的空气累积而膨胀，并由于其弹性和顺度而收缩将空气推回。图13D的一组照片示出了气流调节装置的替代实施方式，它是包含柔性隔膜的鼓。由于呼吸机将空气(吸气流量)推入中通道的入口，鼓隔膜分别向外(充气)和向内(放气)移动，以积累和排出空气。
15次呼吸；约100μL/呼吸的潮气量)。此外，中通道的出口适于连接至气流调节装置(例如可膨胀的腔室、如气球)，以促进空气从装置中呼出(由于腔室材料的弹性和顺度
(compliance))。图13C的照片示出了位于中通道(“气道内腔”通道)出口处的气球由于经中通道入口流入至装置的空气累积而膨胀，并由于其弹性和顺度而收缩将空气推回。图13D的一组照片示出了气流调节装置的替代实施方式，它是包含柔性隔膜的鼓。由于呼吸机将空气(吸气流量)推入中通道的入口，鼓隔膜分别向外(充气)和向内(放气)移动，以积累和排出空气。
[0046] 图14A-图14B是示出了根据一个实施方式的装置中模拟呼吸作用的实验数据。该装置的中通道(“气道内腔”通道)的一端适于连接至例如小型动物呼吸机和可以调节空气体积和压力的附属装置，以产生气流。空气从“气道内腔”通道的一端(即“嘴端”)流入至装置(即“吸气流”)。“气道内腔”通道的另一端(也称作“肺泡端”)适于连接至具有顺度和弹性的橡胶气球结构上，以帮助迫使空气从装置中排出(即“呼气气流”)。以下述方式对气流/呼吸作用进行调节：以在小气道水平(潮气量平均为100μl的15×(吸气+呼气)循环)上模仿处于静止状态的人类受试者的呼吸作用，并且可以对气流/呼吸作用进行调节，以适应不同的呼吸模式和/或潮气量。呼吸约24小时后，将约2μm的荧光(红色)珠加入至“气道内腔”通道(即，在上皮细胞的顶部)，随后通过显微镜追踪荧光珠的运动。可以将这种设备用于测定纤毛清除率。图14A的一组快照图像示出了在特定时间点，在装置的“气道内腔”通道内的荧光珠的运动。左图针对的是不接收气流的对照装置，并显示出部分极化的珠子运动，即，一些珠子以一个方向运动，而少量以相反的方向运动。右图针对的是接收气流约24小时的装置，并且示出了更为极化的珠子运动(朝向“嘴端”运动)。图14B的柱状图示出了在接收气流的装置(呼吸芯片)中具有比无气流的控制装置(非呼吸芯片)更高的纤毛清除率(通过荧光珠的运动来测定)。
[0047] 图15的示意图示出了评价空气传播病原体的传播率的示例性系统。该系统包括“病原体感染的”芯片小气道和“未感染的”芯片小气道，其中，“病原体感染的”芯片小气道的中通道以流体方式连接至“未感染的”芯片小气道的中通道。将吸气气流引入至“病原体感染的”芯片小气道的中通道内，并且将排出的气流导向至“未感染的”芯片小气道中，以测定空气传播的传播率。
[0048] 图16是示出了根据一个实施方式的装置的横截面图的示意图，所述装置可用于形成黏膜免疫平台，以研究免疫细胞募集、成熟和活化以及排液。将免疫细胞以静态流体或流动流体形式引入至“血管”通道，并对它们的行为(例如跨上皮迁移、成熟、活化和/或排液回“血管”通道)进行监控。该平台可以用于研究气道黏膜表面在先天免疫和适应性免疫中的作用。
[0049] 图17A-图17B的图像示出了在根据实施方式的装置中的支气管细胞培养物的鳞状表型(图17A)，并示出了通过加入视黄酸而使鳞状表型逆转(图17B)。
[0050] 图18的一组图像示出了来自培养在根据一个实施方式的装置中的哮喘供体和正常供体的人气道上皮细胞的形态学。
[0051] 图19是示出了系统的照片，在该系统中，可以将多于一个的本文所述装置(例如8-16个装置)以流体方式相互连接和/或连接至流体源。该系统可以包括培育器，从而为装置提供控温环境。
[0052] 图20示出了采用多于一个的本文所述装置的系统图，所述装置以流体方式相互连接和/或连接至流体源。
[0053] 图21示出了将惯性冲击器(inertial impactor)整合至本文所述装置的一个实施方式，用于试剂的气溶胶递送。
[0054] 图22A和图22B示出了本文所述装置的替代实施方式。图22A示出了包含至少一个中通道的装置，所述中通道通过膜与至少两个微通道分隔开。图22B示出了包含至少两个中通道的装置，所述中通道通过膜与至少一个微通道分隔开。
[0055] 图23示出了根据图2D所述实施方式的装置的俯视图。
[0056] 图24A-图24B示出了根据本文所述的一些实施方式、具有操作通道的装置的横截面视图。在这些实施方式中，操作通道的高度大于中通道和/或微通道的高度。如图所示，膜被构建为包含中央区域，其中，所述中央区域包括膜的将中通道与微通道分隔开的部分。在一些实施方式中，膜可以延伸至操作通道，并将操作通道分隔成两个以上区室(如图所示)。在替代的实施方式中，操作通道不包含任何将操作通道分隔成两个以上区室的膜。
[0057] 图25A-图25B是在根据本文所述的一个或多个实施方式的装置中，经气-液界面(ALI)诱导后的充分分化的正常上皮和慢性阻塞性肺疾病(COPD)上皮的共焦图像。(图25A)上图示出了原代健康供体来源的上皮。下图为示出了在假复层柱状上皮中顶部纤毛覆盖的正交部分。注意纤毛的顶部定位。(图25B)上图示出了由COPD患者获得的上皮细胞。下图是示出了在假复层柱状上皮(用DAPI对核进行复染)中顶部纤毛覆盖的正交部分。在图25A-图25B中，用β-微管蛋白IV对纤毛细胞进行标记，并用抗MUC5AC抗体对黏液产生杯状细胞进行染色。用DAPI对核进行复染。注意纤毛的顶部定位。(上图)比例尺，20μm。(下图)比例尺，20μm。
[0058] 图26A-图26E的数据图示出了可以在根据本文所述的一个或多个装置中建立COPD疾病表型。图26A示出了在装置中生长的健康的和COPD来源的上皮细胞(4例COPD供体和6例健康受试者)之间，TLR4(左)和TLR3(右)表达的mRNA水平。图26B比较了在LPS(脂多糖)刺激后COPD和健康的上皮之间的IL-8分泌。图26C比较了聚(I:C)(聚肌胞:聚胞苷酸)刺激后COPD和健康的上皮之间的M-CSF分泌。图26D-图26E示出了用聚(I:C)刺激后在健康供体和COPD上皮细胞中诱导的细胞因子IP-10(图26D)和RANTES(图26E)的表达(两组中每个条件下使用4例供体)。
[0059] 图27A-图27C示出了包含纤毛上皮、内皮和循环白细胞的三细胞类型微流控共培养系统的建立。(图27A)左图：用于重建后毛细血管微静脉(在体内白细胞募集和粘附的主要位点)的本文所述装置的一个实施方式的3D剖面图。中图：示出了上皮、内皮和嗜中性粒细胞(所有原代细胞)的三细胞类型共培养的示意图。右图：纤毛上皮和内皮双层在装置上的垂直免疫荧光横截面。用β-微管蛋白IV对纤毛细胞进行标记，并用抗CD31/PECAM-1抗体对内皮细胞进行染色。使用DAPI对核进行复染。比例尺，20μm。(图27B)一系列延时显微图像显示出捕获到嗜中性粒细胞向与预黏附的嗜中性粒细胞(圆圈)相邻的内皮流动(在第一幅图的左起是不可见的，但在第二幅图中出现，以箭头示出)。在最初的附着后，嗜中性粒细胞越过激活的内皮的顶部表面，然后牢固地黏附(时间以秒为单位)。分别用CellTracker Red和Calcein AM对嗜中性粒细胞和内皮细胞进行活体染色。(图27C)柱状图表示在使用或不使用聚(I:C)对分化的上皮细胞进行处理后，在内皮细胞中的E-选择素和VCAM1mRNA水平。(每个条件下使用3个装置)
[0060] 图28A-图28C示出了在根据本文所述的一个或多个实施方式的小气道模仿装置中，测定药物对嗜中性粒细胞捕获和粘附以及炎症抑制的效力的能力。(图28A)示出了三个不同条件下募集的嗜中性粒细胞的粘附作用的代表性免疫图像：(左)无药物；(中)布地奈德；(右)PFI-2。在即将实验之前用Hoechst对嗜中性粒细胞进行染色，使得可以进行可视化和定量。(图28B)示出了在图28A中成像的嗜中性粒细胞粘附至激活的内皮上的百分比变化的柱状图。(n＝每个条件下使用3个不同的供体；4个独立实验中每个条件下使用7-8个装置；每个芯片4-5个不同视野)。(图28C)示出了由指定药物调控的或不接受任何处理的情况下不同细胞因子的分泌水平的一组柱状图。测量的细胞因子包括：嗜中性粒细胞-引诱物IL-8、GROα和GM-CSF；单核细胞-细胞引诱物MCP-1；以及急性炎症相关细胞因子IL-6。(n＝每个条件下3例供体)。
[0061] 图29A-图29B是示出了在本文所述装置的一个或多个实施方式中分化成Clara细胞的人气道上皮细胞的图像。(图29A)在装置中支气管细胞充分分化后，染色用于CC10的Clara细胞和用β-微管蛋白IV标记的纤毛细胞的共焦显微俯视图图像。比例尺，10μm。(图29B)在装置中生长的分化支气管细胞的代表性扫描电子显微照片，示出了广泛的纤毛细胞覆盖(“1”的箭头)、通常表示黏液产生杯状细胞的顶部膜的微绒毛(“2”箭头)、以及表示Clara细胞的一些圆顶状结构(“3”的箭头)。比例尺，10μm。
[0062] 图30A-图30D示出了在芯片气道中哮喘样表型的诱导，用于药物效力的评估。图30A的一组荧光图像示出了用IL-13刺激的气道芯片展现出更高数量的杯状细胞(产生黏液的细胞)。图30B是示出了基于荧光图像(在图30A中所示的代表性图像)对杯状细胞覆盖进行定量的柱状图。图30C是示出了与未用IL-13刺激的细胞相比，由IL-13刺激的细胞分泌出G-CSF和GM-CSF的一组柱状图。图30D是示出了在指定条件下纤毛跳动频率的柱状图。在图
30B-图30D中，通过用托法替尼对IL-13刺激的细胞进行处理并测定上述相应的每个表型，“气道”装置还被用来评估托法替尼(JAK抑制剂)的药物效力。
30B-图30D中，通过用托法替尼对IL-13刺激的细胞进行处理并测定上述相应的每个表型，“气道”装置还被用来评估托法替尼(JAK抑制剂)的药物效力。
具体实施方式
[0063] 本文在器官模拟装置及其使用方法和制造方法的上下文中对各个方面的示例性实施方式进行了描述。特别是，本发明的一个实施方式尤其涉及器官模拟装置及其用于细胞(例如需要低剪切和/或形成复层结构或三维组织的细胞)的生长和分化的使用方法。根据本文所述的各个方面，器官模似装置包括由膜分隔开的第一通道和第二通道，其中，所述第一通道(称为本文所述的“中通道”)具有足以使细胞形成假复层或复层结构、或三维组织结构的高度。在一个实施方式中，中通道的高度可实质上大于第二通道(也被称为微通道)的高度。在另一个实施方式中，中通道的高度可实质上与第二通道的高度相同。
[0064] 例如，本发明人证明了，在本文所述装置的一个实施方式中，通过将气道上皮细胞培养在装置内建立的气-液界面处，原代人气道上皮细胞(例如小气道上皮细胞)充分分化成处于假复层结构的Clara细胞、纤毛细胞和黏液分泌杯状细胞。在这个实施方式中，该装置包括中通道和微通道，其中，中通道的高度(例如约1000μm)实质上大于微通道的高度(例如约100μm)。该中通道可适于模仿“气道内腔”通道，并且微通道可适于模仿“血管”通道。例如，为了形成“气道内腔”通道，可以将气道或支气管上皮细胞接种至面向顶部中通道(“气道内腔”通道)的膜上，并且在装置的气-液界面处培养约3-4周后，上皮细胞分化。
[0065] 此外，不同于现有的开顶transwell系统(先前已用于生长和分化人类细胞，但不允许在上皮细胞的顶部输送空气(以给定的体积、方向和速度))，中通道(或“气道内腔”通道)可适于以形成闭合顶部的系统，其允许气流通过分化的上皮细胞，以模仿呼吸模式和/或节律。例如，中通道的一端可适于连接至气流调节装置(例如能够以可逆方式伸展或充气的腔室)，其适于在中通道内提供单向和/或双向气流。因此，可以将空气通过中通道递送(以预定的体积、速率和/或速度)进入和离开装置以模拟呼吸，和/或允许化合物、化学品和/或生物制剂的气溶胶递送。另外，气流在中通道内的方向性还可以促进在中通道内生长的分化纤毛细胞有方向和有节律地跳动，进而可用于测定粒子(例如碎片、病原体和/或微粒)在中通道长度方向上从一端至另一端的黏液纤毛清除作用。
[0066] 此外，该装置可被用来测定免疫细胞(例如但不限于，CD8+T细胞、淋巴细胞、单核细胞和/或嗜中性粒细胞)从底部微通道(或“血管”通道)的静止培养基或流动培养基中向膜的募集，或者向在膜的面向微通道(或“血管”通道)的另一表面生长的血管相关的细胞(例如内皮细胞、成纤维细胞、周皮细胞和/或平滑肌细胞)的募集，两者均可以代表炎性响应(例如涉及呼吸系统疾病或感染)或建立炎性响应模型。因此，本文所述装置的各种实施方式可被用于建立模型，并对呼吸系统疾病(例如哮喘、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、肺动脉高压、囊状纤维化以及与呼吸系统相关的任何疾病，所述呼吸系统包括例如鼻、气管、支气管和/或气道)、辐射诱发的损伤和/或感染性疾病(例如病毒感染或细菌感染)进行研究。这些疾病模型进而可用于例如药物筛选和/或各种疾病或疾患的病理生理学研究。
[0067] 在一个实施方式中，本文所述装置适于人肺细胞(包括肺泡、气道、支气管、气管和鼻上皮细胞)的生长和分化，而本文所述的装置也可用于需要更高的通道高度以支持最佳的细胞培养和/或多细胞层或三维组织结构的形成的其它芯片器官，所述其它芯片器官例如包括但不限于芯片皮肤、芯片肝脏、芯片消化道、芯片心脏、芯片眼等等。因此，在一些实施方式中，本文所述的装置可用于建立呼吸系统疾病以外的疾病模型，例如但不限于皮肤疾病、肝脏疾病、胃肠疾病、心脏疾病和眼部疾病等。
[0068] 本领域普通技术人员将认识到的是，以下描述仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。对于得益于本公开文本的技术人员而言，其它实施方式将很容易想到。现在将如附图所示，对示例性实施方式的完成进行详细参考。在整个附图中使用相同的参考标记，并且在以下描述中指代相同或相似的条目。可以理解的是，短语“实施方式”涵盖多于一个的实施方式，因此为简洁起见，其不局限于仅一个实施方式。
[0069] 根据本公开内容，器官模仿装置(也称为“本装置”)优选在整个系统中使用，所述整个系统结合了传感器、计算机、显示器和其它利用软件、数据组件、过程步骤和/或数据结构的计算装备。针对利用器官模仿装置的计算机系统，本文所述的组件、过程步骤和/或数据结构可以使用多种类型的操作系统(例如WindowsTM、LINUX、UNIX等)、计算平台(例如Intel、AMD、ARM等)、计算机程序和/或通用机器来实现。此外，本领域普通技术人员将认识到的是，在不脱离本文所揭示的发明概念的范围和精神下，还可以使用较少通用性质的装置，例如硬连线装置、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或专用集成电路(ASIC)。
[0070] 当包括一系列过程步骤的方法由与下文所述器官模仿装置一起使用的机器或计算机实现，并且那些过程步骤可以存储为一系列机器可读的指令时，可将它们存储在有形介质上，例如计算机存储器装置(例如ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、FLASH存储器、跳转驱动器等)、磁性存储介质(例如磁带、磁盘驱动器等)、光存储介质(例如CD-ROM、DVD-ROM、纸卡、纸带等)和其它类型的程序存储器。
[0071] 本装置的实施方式可以应用于众多领域，包括基础生物科学、生命科学研究、药物发现与开发、药物安全性测试、化学和生物试验、以及组织和器官工程。在一个实施方式中，器官模仿装置可以用作微血管网络结构，用于心血管、癌症和器官特异性疾病生物学的基础研究。此外，装置的一个或多个实施方式在器官辅助装置中以及器官替换结构得以应用，该器官辅助装置用于肝、肾、肺、肠、骨髓以及其它器官和组织。
[0072] 可以使用可与本装置相结合的各种系统对细胞对各种环境诱因的响应进行监测。可以使用公知的传感器监测pH值的变化。可以将力传感器整合至膜中，来测量细胞机械性能的变化。还可以连续地或周期性地抽样检查细胞，用于对基因转录的变化、或细胞生物化学或结构组织方面的变化进行测量。例如，可以对作为细胞应激标记物的活性氧(ROS)进行测量。还可以使生长在膜上的“组织”经受显微分析、免疫组织化学分析、原位杂交分析、或使用染色(例如苏木精和曙红染色)的典型病理分析。用于这些分析的样品可实时采样，或者在研究或实验过程中的不同阶段，在进行小型活检或实验之后取样。
[0073] 可以使生长在膜上的细胞受制于(subject)其它细胞(例如免疫系统细胞或细菌细胞)、抗体或抗体导向的细胞，例如靶特异性细胞受体。可以将细胞暴露于病毒或其它粒子。为了协助检测外部供给物质(例如细胞、病毒、粒子或蛋白质)的运动，可以使用典型的方法(例如放射性标记或荧光标记)对它们进行自然标记。
[0074] 使用本装置可使细胞生长、分化、对其进行培养、支持或维持、和/或分析至少约1周、至少约2周、至少约3周、至少约4周、至少约5周、至少约6周、至少约7周、至少约8周或更长的时间。例如，如下面所讨论的，已经证明在所述装置的实施方式中，细胞可以在膜上保持有活力和分化的状态至少约1个月或更长的时间。在一些实施方式中，可以将细胞培养在装置中以诱导细胞生长。在一些实施方式中，细胞(例如某些原代细胞)在装置中能够得到维持，而不是继续增殖。
[0075] 本文所述的器官模仿装置具有许多不同的应用，包括但不限于：细胞分化、形成复层和/或三维组织结构、在感兴趣的组织中开发疾病模型、开发黏膜免疫平台；研究粒子的纤毛清除；研究病原体的空气传播性；研究免疫细胞响应(例如跨上皮迁移、成熟、活化、细胞杀伤和/或排液)；研究各种组织特异性疾病，如呼吸系统疾病、肠道疾病、消化系统疾病、皮肤疾病、心脏疾病和/或眼部疾病；研究药物作用机制、靶标鉴别和/或验证、鉴别疾病标记物；评估各种化学或生物试剂的药代动力学和/或药效学；评估治疗剂和/或疫苗的效力；测试基因治疗载体；药物和/或疫苗的开发；分子或药物筛选或药物发现；对于特定患者群体或个体患者确定合适的治疗或药物；鉴别疾病或疾患的危险群体；为不响应于先前给予的治疗的患者群体鉴别新的药物靶标；研究生理相关的模型中的细胞行为(包括例如干细胞和骨髓细胞)；研究外源性物质的生物转化、吸收、清除、代谢和活化；研究化学或生物试剂穿过上皮层或内皮层的生物的运输和生物利用度；研究生物或化学试剂穿过血脑屏障的运输；研究生物或化学试剂穿过肠上皮屏障的运输；研究化学试剂的急性基础毒性；研究化学试剂的急性局部毒性或急性器官特异性毒性；研究化学试剂的慢性基础毒性；研究化学试剂的慢性局部毒性或慢性器官特异性毒性；研究化学试剂的致畸性；研究化学试剂的遗传毒性、致癌性和/或致突变性；检测传染性生物试剂和/或生物武器；检测有害化学试剂和化学武器；研究传染疾病(例如细菌、病毒和/或真菌感染)；评估新菌株的感染性和/或毒力；研究化学和/或生物试剂对治疗疾病的最佳剂量范围；预测在体内暴露于生物和/或化学试剂的器官的响应；研究遗传内容对于试剂响应的影响；研究基因转录对化学或生物试剂的响应；研究蛋白表达对化学或生物试剂的响应；研究代谢响应于化学或生物试剂的变化；以及下文所述的示例性用途。还可以使用器官模仿装置对细胞进行筛选，研究细胞对材料的影响(例如以等效于药物组织代谢的方式)。
[0076] 在一些实施方式中，对于培养自机械活性组织的细胞(例如心脏、肺、骨骼肌、骨、韧带、肌腱、软骨、平滑肌细胞、肠、肾)、内皮细胞以及来自其它组织的细胞而言，本装置可用于模拟步行、跑步、呼吸、蠕动、流动(flow of flow)或排尿的机械负荷环境、或者心脏的搏动。不同于在静态环境中测试细胞的生物或生化响应，研究者可以应用一定范围内的频率、振幅和持续的机械应力(包括张力、压缩力和剪切力)来培养细胞。例如，可以对装置内的膜进行机械调节，来模拟步行、跑步、呼吸和蠕动的机械负荷环境。
[0077] 本领域技术人员可以将不同类型的细胞置于膜的表面上。细胞包括来自多细胞结构的任何细胞类型，所述多细胞结构包括线虫、变形虫、直至哺乳动物(例如人类)。植入至装置上的细胞类型取决于人们希望模仿的器官或器官功能的类型、以及包含这些器官的组织。下面将对可植入至本文所述装置的膜上的各种类型的细胞进行详细讨论。
[0078] 还可以在膜的任一侧或两侧共培养各种干细胞，例如骨髓细胞、诱导的成体干细胞、胚胎干细胞、诱导的多能干细胞或从成人组织中分离的干细胞。在供养各层细胞的腔室中使用不同的培养基，可以允许不同的分化诱因到达干细胞层，从而将细胞分化成不同的细胞类型。还可以在膜的同一侧上混合细胞类型，在无需膜分离的情况下创建不同细胞的共培养物。
[0079] 示例性微流控装置及其使用方法
[0080] 一般来说，本公开文本涉及装置及其使用方法，其中，该装置包括主体，所述主体具有由一个或多个膜分离的中央通道。膜被配置为将中央通道分隔成实质上具有不同高度的两个以上紧密并列的平行通道，其中，将一个或多个第一流体施加通过至少一个中通道，并且将一个或多个第二流体施加通过至少一个微通道。所述中通道与所述微通道的高度比大于1:1。可以用细胞粘附分子对各膜的表面进行处理或涂覆，以支持细胞附着至膜的上下表面，并促进其在膜的上下表面上组成组织，从而在相邻平行流体通道之间创建由膜分隔开的组织-组织界面。该膜可以是多孔的(例如可渗透的或选择性渗透的)、非多孔的(例如非渗透性的)、刚性的、柔性的、弹性的或它们的任意组合。在一些实施方式中，膜可以是多孔的，例如允许流体(例如气体和/或液体)的交换/运输、分子(如营养物、细胞因子和/或趋化因子)通过、细胞迁移或它们的任意组合。在一些实施方式中，膜可以是无孔的。流体压力、流动方式和通道几何形状可以变化，以将所期望的流体剪切应力施加至细胞或组织层中的一者或两者。相比于培养在较小的微通道中的细胞或组织层，较大的中通道为培养在其中的细胞或组织层提供了更低的剪切力、更宽敞的环境。
[0081] 在非限制性示例实施方式中，装置可以被配置为模仿气道或支气管的运行，从而使喜好较低的剪切力和/或复层结构的细胞(例如气道上皮细胞)存在于膜的面向中通道的一个表面上，而肺毛细血管内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞则存在于该膜的面向微通道的相对面上。该装置从而允许模拟功能化气道或支气管单元的结构和功能，其可以暴露于生理机械应变以模拟呼吸作用，或者暴露于空气传播和血液传播的化学品、分子、微粒和细胞刺激物，来考察化学品、分子和细胞通过膜的孔穿过组织-组织界面的交换。该装置影响了体外气道或支气管模型的开发，所述模型模仿了器官水平的响应，其能够在生理和病理条件下进行分析。该系统可应用于各种应用，包括但不限于疾病模型、药物筛选、药物递送、疫苗递送、生物检测、毒理学、生理学和器官/组织工程应用。
[0082] 在其它实施方式中，该装置可适于需要更高的通道高度以支持最佳细胞培养的其它器官模仿装置，包括但不限于芯片皮肤、芯片心脏、芯片肝脏、芯片消化道和芯片眼。例如，在国际专利申请PCT/US12/68725和PCT/US12/68766中对器官模仿装置进行了描述，在此通过引用将其内容并入本文，可以对该装置进行改进，以使其拥有具有更高通道高度的微通道。
[0083] 图1示出了采用根据实施方式的本发明装置的整体系统的框图。如图1所示，系统100包括器官模仿装置102、联接至装置102的一个或多个流体源104和104N、联接至流体源
104和装置102的一个或多个泵106。可以将一个或多个中央处理单元(CPU)110联接至泵
106，并优选地对进出装置102的流体的流动进行控制。CPU 110优选地包括一个或多个处理器112和一个或多个本地/远程存储器114。可以将显示器116联接至CPU 110，并且可以将一个或多个压力源118联接至CPU 110和装置102。CPU 110优选地对加压进入装置的流体的流动和速率进行控制。应当指出的是，尽管在本文中示出并描述了一个接口装置102，但在以下所讨论的系统100内可以对多个接口装置102进行测试和分析。
104和装置102的一个或多个泵106。可以将一个或多个中央处理单元(CPU)110联接至泵
106，并优选地对进出装置102的流体的流动进行控制。CPU 110优选地包括一个或多个处理器112和一个或多个本地/远程存储器114。可以将显示器116联接至CPU 110，并且可以将一个或多个压力源118联接至CPU 110和装置102。CPU 110优选地对加压进入装置的流体的流动和速率进行控制。应当指出的是，尽管在本文中示出并描述了一个接口装置102，但在以下所讨论的系统100内可以对多个接口装置102进行测试和分析。
[0084] 正如将更详细地讨论的，器官模仿装置102优选地包括两个以上端口，其使得装置102的中通道和微通道与系统的外部组件(例如流体和压力源)进行联通。具体而言，装置
102可以联接至一个或多个流体源104N，其中，流体源可以含有空气、培养基、血液、水、细胞、化合物、微粒和/或待递送至装置102的任何其它介质。在一个实施方式中，流体源104向装置102的一个或多个中通道和微通道提供了流体，并且还优选接收从装置102离开的流体。在一些实施方式中，可以额外地或替代性地将离开装置102的流体收集在与流体源104分隔开的流体收集器或储库108中。因此，使得单独的流体源104、104N分别向装置102提供流体，并从装置102中移除流体。
102可以联接至一个或多个流体源104N，其中，流体源可以含有空气、培养基、血液、水、细胞、化合物、微粒和/或待递送至装置102的任何其它介质。在一个实施方式中，流体源104向装置102的一个或多个中通道和微通道提供了流体，并且还优选接收从装置102离开的流体。在一些实施方式中，可以额外地或替代性地将离开装置102的流体收集在与流体源104分隔开的流体收集器或储库108中。因此，使得单独的流体源104、104N分别向装置102提供流体，并从装置102中移除流体。
[0085] 在一个实施方式中，离开装置102的流体可重复使用，并通过其之前进入的端口再引入至相同或不同的入口端口。例如，可以对装置102进行设置，使得通过特定中央子通道(例如中通道或微通道)的流体再循环回到该装置，并再次通过相同的通道运行。例如，随着再循环到装置中，这可以用来增加流体中分析物的浓度。在另一实例中，可以对装置102进行设置，使得流体通过装置并再循环回该装置，随后流经另一通道(例如中通道或微通道)。由于它通过另一通道(例如中通道或微通道)循环，这可以用来改变流体的浓度或组成。
[0086] 虽然一般来说泵对于系统而言是任选的，但优选使用一个或多个泵106将流体泵入装置102。流体泵在本领域是众所周知的，在本文中不对其进行详细讨论。将在下面更详细地讨论的是，每个微通道部分优选与其各自的入口端口和/或出口端口联通，由此，每个微通道部分均允许流体从其中流过。
[0087] 在装置中的每个中通道和微通道优选具有专用的入口端口和出口端口，所述入口端口和出口端口连接至相应的专用流体源和/或流体收集器，以允许对通过每个通道的介质的流动速率、流动内容物、压力、温度和其它特征进行独立地控制。因此，通过独立地对各流体通道中所需的细胞标记物进行采样，还可以对各种刺激物对各细胞或组织层的作用进行监测，所述细胞标记物例如在RNA或蛋白水平的基因表达的变化。
[0088] 细胞注射器/去除器108组件显示出与装置102进行联通，由此对注射器/去除器108进行配置，从而在独立于经由入口端口210、218所引入的细胞的情况下，在装置102内的界面膜的一个或多个表面上注入、去除和/或操纵细胞，所述细胞例如但不限于上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、基底细胞、纤毛细胞、柱状细胞、杯状细胞、肌肉细胞、免疫细胞、神经细胞、造血细胞、肺细胞(例如肺泡上皮细胞、气道细胞、支气管细胞、气管细胞和鼻上皮细胞)、消化道细胞、脑细胞、干细胞、皮肤细胞、肝细胞、心脏细胞、脾细胞、肾细胞、胰腺细胞、生殖细胞以及它们的任意组合。例如，可以将含有吸引病原性细胞的磁性粒子的血液培养在单独的装置中，从而可以随后经由注射器将混合物在所需时间点引入至系统中，而无须使混合物通过流体源104。在一个实施方式中，独立地对细胞注射器/去除器
108进行控制，尽管注射器/去除器108可以被图1所示的CPU 110控制。细胞注射器/去除器
108是任选组件，并非是必要的。
108进行控制，尽管注射器/去除器108可以被图1所示的CPU 110控制。细胞注射器/去除器
108是任选组件，并非是必要的。
[0089] 尽管不是必需的，但装置102的膜可适于例如通过气动手段引起装置102内的机械运动。在这些实施方式中，可以由一个或多个外力源118施加外力(例如机械力或压力)，以引起装置102内的膜的机械运动。在装置使用机械能的实施方式中，通过CPU 110对外力源(例如伸展)118进行控制，以伸展或松弛装置内的一个或多个膜，从而使膜响应于所施加的力而伸展和/或缩回。在装置使用压力的实施方式中，通过CPU 110对外力源(例如压力源)118进行控制，以在装置内施加压力差，从而有效地使装置内的一个或多个膜响应于所施加的压力差而伸展和/或缩回。在一个实施方式中，由外力源(例如压力源)118施加至装置102的压力为正压力，这取决于装置的构造或应用。另外地或可替代地，由外力源(例如压力源)
118施加的压力为负压力，如真空或抽吸，这取决于装置的构造或应用。优选由CPU 110对外力源118进行控制，以在设定的定时间隔或频率下向装置102施加外力(如，机械力或压力)，由此，可以将定时间隔设置为均匀的或者非均匀的。可以对外力源118进行控制，以在定时间隔内施加均匀的力(例如机械力或压力)，或者可以在不同的时间间隔内施加不同的力(例如机械力或压力)。例如，由压力源118施加的压力可以具有大的量级和/或被设置为期望的频率，以模仿人跑步或进行运动。外力源118还可以应用慢速和/或不规则的模式，例如模拟人睡觉或具有呼吸问题。在一个实施方式中，CPU 110对外力源118进行操作，以随机改变所施加的外力(例如机械力或压力)的间隔，从而使得周期性的拉伸模式不规则地模拟自然呼吸过程中的呼吸速率和潮气量。
118施加的压力为负压力，如真空或抽吸，这取决于装置的构造或应用。优选由CPU 110对外力源118进行控制，以在设定的定时间隔或频率下向装置102施加外力(如，机械力或压力)，由此，可以将定时间隔设置为均匀的或者非均匀的。可以对外力源118进行控制，以在定时间隔内施加均匀的力(例如机械力或压力)，或者可以在不同的时间间隔内施加不同的力(例如机械力或压力)。例如，由压力源118施加的压力可以具有大的量级和/或被设置为期望的频率，以模仿人跑步或进行运动。外力源118还可以应用慢速和/或不规则的模式，例如模拟人睡觉或具有呼吸问题。在一个实施方式中，CPU 110对外力源118进行操作，以随机改变所施加的外力(例如机械力或压力)的间隔，从而使得周期性的拉伸模式不规则地模拟自然呼吸过程中的呼吸速率和潮气量。
[0090] 在一些实施方式中，气流源发生器122可联接至装置102，以将流入气流(如，流入空气流)引入至装置的至少一个通道(例如，引入装置的中通道以模仿呼吸)。
[0091] 可以将一个或多个传感器120联接至装置102，以监测装置102内的一个或多个区域，从而使传感器120向CPU 110提供监测数据。一种类型的传感器120优选为力传感器，它提供了关于以下方面的量的数据：施加至膜上的力、应力和/或应变，或者装置102内的一个或多个操作通道中的压力。在装置内使用压力的实施方式中，可以使用来自通道壁相对侧的压力数据来计算操作子通道和中央子通道(例如中通道和微通道)之间的实时压力差信息。CPU 110可利用监测数据，提供关于该装置的运行状况的信息，以及在特定环境下细胞在装置102内的实时行为。传感器120可以是具有红外、光学(例如相机、LED)或磁能力的电极，或利用任意其它合适类型的技术提供监测数据。例如，传感器可以是一个或多个微电极，其对整个膜的电特性(例如电位差、电阻和短路电流)进行分析以确认所组织的屏障的形成，以及对其整个膜的流体/离子转运功能进行分析。应当指出的是，传感器120可以在装置102的外部，或者被整合至装置102内。在某些实施方式中，CPU 110控制传感器120的运行，虽然这并非是必需的。优选将数据显示在显示器116上。
[0092] 图2A示出了根据实施方式的微流控装置的立体视图。特别是，如图2A所示，装置200(也记为标号102)优选包括主体202，所述主体202具有根据实施方式的分支微通道设计
203。主体202可以由弹性材料制成，但该主体也可以备选地由非弹性材料、或是弹性材料和非弹性材料的组合制成。应当指出的是，微通道设计203仅仅是示例性的，而非限定于图2A所示的结构。
203。主体202可以由弹性材料制成，但该主体也可以备选地由非弹性材料、或是弹性材料和非弹性材料的组合制成。应当指出的是，微通道设计203仅仅是示例性的，而非限定于图2A所示的结构。
[0093] 主体202可以由刚性材料、弹性材料或它们的组合来制造。本文所使用的术语“刚性”是指具有刚度并且不容易弯曲，或者在向其施加压力之后维持非常接近于其原来形式的材料。本文所使用的术语“弹性”是指并非如本文所定义的刚性的材料或复合材料。弹性材料通常是可模制的和可固化的，并且具有弹性性质，这使得材料在经受机械力或压力时发生至少部分变形(例如伸展、膨胀、收缩、缩回、压缩、扭转和/或弯曲)，并且在不存在机械力或压力时，部分或完全地恢复其原始形式或位置。在一些实施方式中，术语“弹性”还可以指柔性的/可伸展的材料，但它在施加压力并随后除去压力之后不恢复其原来的形式或位置。术语“弹性”和“柔性”在本文中可互换使用。
[0094] 在一些实施方式中，用于制造主体202或至少主体202的与气态和/或液态流体接触部分的材料优选由生物相容性的聚合物或聚合物共混物组成，包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、聚酰亚胺、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、聚丙烯或它们的任意组合。本文所使用的术语“生物相容性”是指具有下述性质的任何材料：当植入或置于邻近受试者的生物学组织时，随着时间不会明显劣化并且不会引起显著的免疫响应或有害组织反应(例如毒性反应或显著刺激)；或者当与血液接触时，不会诱导凝血或凝固。
[0095] 在一些实施方式中，主体202可以包含由含苯乙烯类嵌段共聚物的组合物制造的弹性部分，所述含苯乙烯类嵌段共聚物的组合物例如在2013年12月20日提交的美国临时申请61/919,181以及与本申请在2014年12月19日同时提交的相应的PCT申请“Organomimetic devices and methods of use and manufacturing thereof”(代理人案卷编号002806-077551)中所述，可以在本文所述的装置中采用，以引用的方式将其内容并入本文。在一些实施方式中，包含组合物的苯乙烯类嵌段共聚物可以包括SEBS和聚丙烯。
[0096] 另外地或可替代地，所述主体202的至少一部分可以由非柔性材料或刚性材料制成，所述非柔性材料或刚性材料例如玻璃、硅、硬质塑料、金属或它们的任意组合。
[0097] 膜208可以由与主体202相同的材料制成，或者由不同于装置的主体202的材料制成。在一些实施方式中，膜208可以由刚性材料制成。在一些实施方式中，膜是热塑性刚性材料。可用于制造该膜的刚性材料的实例包括但不限于聚酯、聚碳酸酯或它们的组合。在一些实施方式中，膜208可以包含柔性材料，例如但不限于PDMS。
[0098] 在一些实施方式中，装置的主体和/或膜可以包括或由以下材料构成：细胞外基质聚合物、凝胶和/或支架。本文中可以使用任何细胞外基质，包括但不限于丝、壳聚糖、弹性蛋白、胶原蛋白、蛋白多糖、透明质酸、胶原蛋白、纤维蛋白以及它们的任意组合。
[0099] 图2A中的装置包括多个接入端口205，将在下面进行更详细地描述。此外，分支结构203包括组织-组织界面模拟区域(图2B中的膜208)，其中，对气体、化学品、分子、微粒和细胞的通过和/或细胞行为进行监测。图2B示出了根据实施方式的器官模仿装置的分解图。尤其是，装置200的外主体202优选由第一外主体部分204、第二外主体部分206和中间膜208构成，当外主体部分204和206互相固定以形成整个主体时，所述中间膜208被配置为固定在第一和第二外主体部分204和206之间。
[0100] 第一外主体部分204的厚度可以为任意尺寸，这部分地取决于中通道250A的高度。在一些实施方式中，第一外主体部分204的厚度可为约1mm至约100mm、或约2mm至约75mm、或约3mm至约50mm、或约3mm至约25mm。在一个实施方式中，第一外主体部分204的厚度可以为约4.8mm。在一些实施方式中，第一外主体部分204的厚度比中通道的高度高不超过500μm、不超过400μm、不超过300μm、不超过200μm、不超过100μm、不超过70μm或更小。在一些实施方式中，理想的是使第一外主体部分204保持尽可能地薄，使得可以对膜上的细胞通过显微法、光谱法和/或电传感法进行可视化或检测。
[0101] 第二外主体部分206的厚度可以为任意尺寸，这部分取决于微通道250B的高度。在一些实施方式中，第二外主体部分206的厚度可为约50μm至约10mm、或约75μm至约8mm、或约100μm至约5mm、或约200μm至约2.5mm。在一个实施方式中，第二外主体部分206的厚度可为约1mm至约1.5mm。在一个实施方式中，第二外主体部分206的厚度可以为约0.2mm至约
0.5mm。在一些实施方式中，第二外主体部分206的厚度可比微通道的高度高不超过500μm、不超过400μm、不超过300μm、不超过200μm、不超过100μm、不超过70μm或更小。在一些实施方式中，理想的是使第二外主体部分206保持尽可能地薄，使得可以对膜上的细胞通过显微法、光谱法和/或电传感法进行可视化或检测。
0.5mm。在一些实施方式中，第二外主体部分206的厚度可比微通道的高度高不超过500μm、不超过400μm、不超过300μm、不超过200μm、不超过100μm、不超过70μm或更小。在一些实施方式中，理想的是使第二外主体部分206保持尽可能地薄，使得可以对膜上的细胞通过显微法、光谱法和/或电传感法进行可视化或检测。
[0102] 图2B示出了根据实施方式的装置的分解图。如图2B所示，第一外主体部分204包括一个或多个入口流体端口210，所述入口流体端口210与位于主体202外表面的一个或多个相应的入口孔211联通。装置100优选通过入口孔211连接至流体源104，其中，流体从流体源104通过入口流体端口210进入装置100。
[0103] 此外，第一外主体部分204包括一个或多个出口流体端口212，所述出口流体端口212与位于主体202外表面的一个或多个相应的出口孔215联通。具体地，流经装置100的流体通过相应的出口孔215离开装置100，来到流体收集器108或其它合适的组件。应当注意的是，可以对装置200进行设置，使得流体端口210为出口，流体端口212为入口。
[0104] 在一些实施方式中，如图2B和图2H所示，装置200可包括入口通道225，入口通道225将入口流体端口210连接至中央通道230。入口通道和入口端口可用于将细胞、试剂(例如但不限于刺激物、候选药物、粒子)、气流和/或细胞培养基引入中通道250A和微通道
250B。
250B。
[0105] 本文所述的中央通道和操作通道通常显示为线性的。然而应该理解的是，通道可以是基本上线性的，或者它们也可以是非线性的。因此，本发明的概念不限于直的或线性通道，并且可以包括弯曲的、成角度的或其它方式的非线性通道，例如中央通道和/或操作通道。需要进一步理解的是，通道(例如中央通道和/或操作通道)的第一部分可以是直的，并且同一通道的第二部分可以是弯曲的、成角度的或其它的非线性方式。一般而言，非线性通道包括至少一个(例如一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个以上)弯曲或成角度的区段。非线性通道还可以包含至少一个(例如一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个以上)基本线性的区段。
[0106] 通常，非线性区段具有约50°至约175°的角度或曲线。在一些实施方式中，非线性区段包括约80°至约100°的角度或曲线。在一些实施方式中，非线性区段连接两个基本上平行于彼此的基本上线性区段。在一些实施方式中，非线性区段连接两个基本上垂直于彼此的基本上线性的区段。在一些实施方式中，非线性区段连接两个彼此之间的角度小于垂直的基本上线性的区段。在一些实施方式中，非线性区段连接两个彼此之间的角度大于垂直的基本上线性的区段。
[0107] 图23示出了装置200的实施方式，其包括非线性中央通道(230)和操作通道252。中央通道200包括一个或多个非线性区段(280)，其将中央通道的两个线性区段(290)连接在一起。不希望受到理论的束缚，非线性中央通道可以增加培养面积与芯片面积之间的比率，从而为细胞生长提供了更大的表面积。这也可以允许在中央通道中具有更高的细胞量或细胞密度。
[0108] 在一些实施方式中，装置包括非线性中央通道，其中，中通道的高度为约1mm，微通道的高度为约200μm。在该装置的另外一些实施方式中，操作通道的高度为约500μm。在一些实施方式中，操作通道的高度可高于中通道或微通道的高度，或者高于中通道和微通道的组合高度。
[0109] 装置200还可以包括出口通道227，出口通道227将出口流体端口212连接至中央通道230。出口通道和出口端口还可以用于将细胞、试剂(例如但不限于刺激物、候选药物、微粒)、气流和/或细胞培养基引入至中通道250A和微通道250B。
[0110] 尽管入口孔和出口孔211、215示于主体202的顶部表面上，并且位置垂直于所述入口通道和出口通道225、227，但一个或多个孔211、215可位于主体的一个或多个侧表面上，从而使得入口孔和出口孔211、215中的至少一个可以与入口通道和出口通道225、227分别共平面，和/或与口通道和出口通道225、227的平面呈一定角度。例如，图2C示出了入口孔和出口孔配置在根据一个实施方式的主体侧表面的装置的透视图。通过将入口孔和出口孔置于主体的侧表面上，入口通道231和出口通道233可与中通道250A和/或微通道250B形成小于90度的角度(例如10度至50度之间的范围)。在一个实施方式中，入口通道231和出口通道233可与中通道250A和/或微通道250B形成约25度的角度。在一个实施方式中，入口通道231和出口通道233可与中通道250A和/或微通道250B形成约45度的角度。这些成角度的配置可以减少或防止细胞在细胞接种过程中在端口处积聚和/或形成细胞塞(cell plugs)。此外，入口孔和出口孔211、215在主体侧表面上的设计可以允许同时接近中通道和微通道，这可以用于例如在底部通道中用微注射尖端(microinjection tips)除去气泡、接近细胞、伤害细胞和/或将新的细胞类型注入装置。
[0111] 在一个实施方式中，入口流体端口210和出口流体端口212与中通道250A联通(参见图2D)，从而使得流体能够动态地从入口流体端口210经由独立于微通道250B的中通道250A进入出口流体端口212(参见图2D)。
[0112] 在另一实施方式中，入口流体端口和出口流体端口之间流过的流体可以在中通道250A和微通道250B之间共享。在另一实施方式中，流经中通道250A的流体的流动特性(例如流动速率、流体类型和/或组成等)可以受控地独立于流经微通道250B的流体流动特性，反之亦然。
[0113] 在一个实施方式中，第一部分204包括一个或多个压力入口端口214和一个或多个压力出口端口216，其中，入口端口214与位于装置100外表面上的相应的孔217联通。尽管入口孔和出口孔示于主体202的顶部表面，但一个或多个孔可替代性地位于主体的一个或多个侧面上。在运行中，连接至外力源(例如压力源)118(图1)的一个或多个压力管(未示出)通过孔217向装置提供了正压力或负压力。另外，压力管(未示出)连接至装置100，从而经由孔223除去来自出口端口216的加压液体。应当指出的是，可以对装置200进行设置，使得压力端口214为出口端口，压力端口216为入口端口。应当指出的是，尽管压力孔217、223示于主体202的顶部表面上，但一个或多个压力孔217、223可位于主体202的一个或多个侧表面上。
[0114] 参考图2B，第二部分206包括一个或多个入口流体端口218和一个或多个出口流体端口220。如图2B所示，入口流体端口218与孔219联通，出口流体端口220与孔221联通，从而使孔219和221分别位于第二外主体部分206的外表面。尽管入口孔和出口孔示于主体202的表面上，但作为替代方式，一个或多个孔可位于主体的一个或多个侧面上，例如如图2C所示。
[0115] 如同以上所述的第一外主体部分204，连接至流体源104(图1)的一个或多个流体管优选联接至孔219，以经由端口218向装置100提供流体。此外，流体经由出口端口220和流出孔221离开装置100，进入流体储库/收集器108或其它组件。应当指出的是，可以对装置200进行设置，使得流体端口218作为出口，流体端口220作为入口。
[0116] 在一个实施方式中，第二外主体部分206包括一个或多个压力入口端口222和一个或多个压力出口224。特别优选的是，压力入口端口222与孔227联通，压力出口端口224与孔229联通，从而使得孔227和229分别位于第二部分206的外表面上。尽管入口孔和出口孔示于主体202的底部表面上，但一个或多个孔可替代性地位于主体的一个或多个侧面上。连接至外力源(例如压力源)118(图1)的压力管可通过相应的孔227和229接合至端口222和224。
应当指出的是，可以对装置200进行设置，从而使得压力端口222作为出口，流体端口224作为入口。
应当指出的是，可以对装置200进行设置，从而使得压力端口222作为出口，流体端口224作为入口。
[0117] 在一些实施方式中，如下所述的操作通道(例如在图2D中所示的252)是非强制性的，第一部分204不需要任何压力入口端口214、压力出口端口216。类似地，第二部分206不需要任何压力入口端口222或压力出口端口224。
[0118] 在一个实施方式中，将膜208固定在第一部分204和第二部分206之间，从而使膜208位于装置200的主体202内(参见图2D)。在一个实施方式中，膜208由具有多个孔或孔眼的材料制成，从而使得分子、细胞、流体或任意介质能够经由膜208上的一个或多个孔穿过膜208。如在下面更详细讨论的，在一个实施方式中，膜208可以由允许膜208响应于外力(例如周期性的拉伸或压力)而经受应力和/或应变的材料制成。在一个实施方式中，膜208可以由允许膜208响应于存在于中通道250A、微通道250B和操作通道252之间的压力差而经受应力和/或应变的材料制成。或者，膜208相对缺乏弹性的或是刚性的，其中，在介质通过一个或多个中央子通道250A、250B和/或细胞经由膜在中央子通道250A和250B之间组织并移动时，膜208经受很小的运动或没有运动。
[0119] 参考图2E，其示出了在线C-C(来自图2B)处截取的主体的第一外侧部分204的组织-组织界面区域的透视图。如图2E所示，组织-组织界面区域207A的顶部部分在第一部分204的主体内，并且包括中央通道230(中通道250A)的顶部部分和位于邻近中通道250A的操作通道252A的一个或多个顶部部分。通道壁234、244优选将中央通道230与操作通道252分隔开，从而使得通过中央通道230的流体不会进入操作通道252。同样地，通道壁234、244防止沿操作通道252通过的增压流体进入中通道250A。应当注意的是，在图2D中，一对操作通道252示于中央通道230的相对侧，然而，该装置可以纳入多于两个的操作通道252。在一些实施方式，装置200可以仅包括一个邻近于中央通道230的操作通道252。
[0120] 图2F示出了在主体的第二外侧部分206的D-D线所采取的组织界面区域的透视图。如图2F所示，组织界面区域包括中央通道230(微通道250B)的底部部分，以及位于邻近微通道250B的操作通道252B的至少两个底部部分。一对通道壁234、244优选将中央通道230与操作通道252分隔开，从而使得通过中央通道230的流体不会进入操作通道232。同样，通道壁
234、244防止沿操作通道232通过的增压流体进入中央通道230。
234、244防止沿操作通道232通过的增压流体进入中央通道230。
[0121] 中央通道230的长度可适合于应用(例如待建模的生理系统)、装置的期望尺寸和/或视野范围的期望尺寸的需要。在一些实施方式中，中央通道230的长度为约0.5cm至约10cm。在一个实施方式中，中央通道230的长度为约1cm至约2cm。
[0122] 如图2E和图2F所示，中央通道230的顶部部分和底部部分的宽度尺寸(示为B)范围为200μm至10mm之间、或200μm至1500μm之间、或400μm至1000μm之间、或50μm和2000μm之间。在一些实施方式中，本文所述装置的尺寸可以被配置为向浸没在液体培养基中的上皮细胞提供低剪切应力(可随后经受气-液界面(ALI)诱导)。例如，在一些实施方式中，通道(中通道和微通道)的宽度可以为至少或大于400μm以上，包括例如至少或大于500μm、至少或大于
600μm、至少或大于700μm、至少或大于800μm、至少或大于900μm、至少或大于950μm以上。在一个实施方式中，中央通道(中通道250A和微通道250B)的顶部部分和底部部分各自的宽度尺寸大于400μm。在一个实施方式中，中央通道(中通道250A和微通道250B)的顶部部分和底部部分各自的宽度尺寸为约1mm。应当指出的是，根据将要在装置中模仿的生理系统的类型、和/或形成于中央通道内的中通道/微通道的数量，也可以使用其它宽度尺寸(例如大于
10mm或小于50μm)，这将在下面进一步讨论。因此，在一些实施方式中，中央通道的宽度可以为400μm至50mm之间、或400μm至10mm之间、或800μm至5mm之间、或100μm至10mm之间。
600μm、至少或大于700μm、至少或大于800μm、至少或大于900μm、至少或大于950μm以上。在一个实施方式中，中央通道(中通道250A和微通道250B)的顶部部分和底部部分各自的宽度尺寸大于400μm。在一个实施方式中，中央通道(中通道250A和微通道250B)的顶部部分和底部部分各自的宽度尺寸为约1mm。应当指出的是，根据将要在装置中模仿的生理系统的类型、和/或形成于中央通道内的中通道/微通道的数量，也可以使用其它宽度尺寸(例如大于
10mm或小于50μm)，这将在下面进一步讨论。因此，在一些实施方式中，中央通道的宽度可以为400μm至50mm之间、或400μm至10mm之间、或800μm至5mm之间、或100μm至10mm之间。
[0123] 在一些实施方式中，中央通道230的顶部部分形成单一的中通道250A，中通道250A的宽度与中央通道230的宽度基本上相同。类似地，在一些实施方式中，中央通道230的底部部分形成单一的微通道250B，微通道250B的宽度与中央通道230的宽度基本上相同。
[0124] 在一些实施方式中，中央通道230的顶部部分形成至少两个以上中通道，例如如图22B所示，中通道2250A和2250B的宽度小于中央通道230的宽度。在一些实施方式中，中央通道230的底部部分形成至少两个以上微通道，例如如图22A所示，微通道2260A和2260B的宽度小于中央通道230的宽度。在中央通道中形成的多个中通道和/或微通道将在下面进行进一步详细描述。
[0125] 在一些实施方式中，两个通道的宽度可以被配置为不同的，其通道的中心是对准的或未对准的。在一些实施方式中，通道高度、宽度和/或横截面可以沿着本文所述的装置的长度变化。
[0126] 根据本文所述的一些实施方式，中通道250A的至少长度部分的高度(例如期望细胞生长并形成复层、假复层或三维组织结构的长度部分)在相同长度部分内实质上大于微通道250B的高度。例如，中通道与微通道的高度比大于1:1，包括例如大于1.1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、11:1、12:1、13:1、14:1、15:
1、16:1、17:1、18:1、19:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1。在一些实施方式中，中通道与微通道的高度比的范围为1.1:1至约50:1、或约2.5:1至约50:1、或2.5至约25:1、或约5:1至约25:1。在一个实施方式中，中通道与微通道的高度比为约10:1至约20:1。较高的中通道可以为需要低剪切和更大的空间以形成复层结构和/或三维组织的细胞的生长提供减小的应力环境和增加的上部空间。
1、16:1、17:1、18:1、19:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1。在一些实施方式中，中通道与微通道的高度比的范围为1.1:1至约50:1、或约2.5:1至约50:1、或2.5至约25:1、或约5:1至约25:1。在一个实施方式中，中通道与微通道的高度比为约10:1至约20:1。较高的中通道可以为需要低剪切和更大的空间以形成复层结构和/或三维组织的细胞的生长提供减小的应力环境和增加的上部空间。
[0127] 在一些实施方式中，中通道250A的至少长度部分的高度可足以容纳存在于面向中通道的膜上最厚的细胞或最高的细胞(包括来自细胞的任意突起，如纤毛)。
[0128] 在一些实施方式中，中通道250A的至少长度部分的高度的尺寸可足以允许多于一个的细胞层的生长，例如2个细胞层、3个细胞层、4个细胞层、5个细胞层、6个细胞层或更多。在功能和/或形态上，细胞层可以是各自相同或不同的。中通道的高度可以随待建模的生物组织或器官的至少一部分的厚度变化而变化。例如，在一些实施方式中，中通道250A的高度的尺寸可足以形成包含纤毛细胞和黏液分泌细胞的气道上皮细胞复层结构(包括以层排列的细胞的结构)，例如如图5B所示。在一些实施方式中，中通道250A的高度的尺寸足以形成小气道上皮的复层结构。在一些实施方式中，中通道250A的高度尺寸可被配置为允许形成皮肤(例如哺乳动物皮肤或动物皮肤)的等同物，从而将皮肤作为器官进行建模。
[0129] 在一些实施方式中，中通道250A的高度可以被配置为在复层/假复层或三维结构上方为气流提供足够的上部空间，从而使得细胞(例如气道或皮肤上皮细胞)上的空气剪切应力维持在生理范围内(例如0.01dyne/cm2至1700dyne/cm2之间)。在一个实施方式中，气流可以保持为静态流动。
[0130] 在一些实施方式中，中通道250A的高度可具有足以形成三维组织的尺寸。例如，中通道250A的高度可具有足以形成三维消化道或肠组织的尺寸，其中，肠上皮细胞生长成重现肠绒毛结构的褶皱。在一些实施方式中，中通道250A的高度可以被配置为在三维结构的上方为液体流提供充足的上部空间，从而使得细胞(例如肠上皮细胞)上的液体剪切应力可以维持在生理范围内(例如0.01dyne/cm2至1700dyne/cm2之间)。
[0131] 在一些实施方式中，中通道250A的高度可取决于中通道250A的高度与中央通道230的宽度的长宽比。中通道250A的高度与中央通道230的宽度的长宽比范围可以为约1:5至约50:1、或约1:10至约20:1。在一些实施方式中，中通道250A的高度范围可以为约100μm至约50mm、约150μm至约25mm、或约200μm至约10mm。在一些实施方式中，中通道250A的高度范围可以为约100μm至约5mm、约150μm至约2.5mm、或约200μm至约2mm。在一个实施方式中，中通道250A的高度为约220μm至约1mm。在一个实施方式中，中通道250A的高度为约100μm至约5mm。在一个实施方式中，对于1mm宽的通道，中通道的高度范围可以为约100μm至约20mm。
[0132] 中通道沿着中通道的长度可具有均匀的高度。或者，中通道沿着中通道的长度可以具有变化的高度。例如，中通道的长度部分(例如期望在其中形成复层/假复层或三维组织结构)可以实质上高于微通道的相同长度部分，而中通道的其余部分的高度与微通道的高度相当或甚至小于微通道的高度。
[0133] 如果在微通道中流动的介质的流动速率和/或剪切应力可以维持在生理范围内，或者不会对细胞造成任何不利影响，和/或对于在膜的面向微通道的表面上生长的细胞具有充足的空间，则微通道250B的高度可以设置为任意尺寸。例如，在一些实施方式中，微通道250B的高度可以被设计为模仿血管通道，其中，血液或细胞培养基在生理流体压力和/或流动速率下流动。
[0134] 因此，在一些实施方式中，微通道250B的高度可实质上小于中通道250A的高度。例如，微通道的高度可为中通道高度的约1％至约80％、或约5％至约70％、或约10％至约50％。在一些实施方式中，微通道的高度可以占中通道高度的不超过30％、不超过20％、不超过10％。在一些实施方式中，微通道的高度占中通道高度的不超过10％。
[0135] 在替代性的实施方式中，微通道250B的高度可以与中通道250A的高度基本相同。
[0136] 在一些实施方式中，微通道250B的高度范围可以为约1μm至约5mm、约10μm至约5mm、约25μm至2.5mm、或约50μm至约1mm。在一些实施方式中，微通道250B的高度范围可以为约25μm至约1mm、约50μm至约750μm、或约75μm至约500μm。在一个实施方式中，微通道250B的高度为约50μm至约150μm。在一个实施方式中，微通道250B的高度为约100μm至约160μm。
[0137] 在一些实施方式中，装置的主体可以进一步适于在中央通道内提供膜的机械调节。膜的机械调节可以包括与施加至膜的力/压力平行和/或垂直的任何膜运动，包括但不限于拉伸、弯曲、压缩、振动、收缩、波动或它们的任意组合。仅以举例的方式，图2D示出了根据实施方式的主体内细胞培养界面区域的截面图，其中，可以通过气动机构对膜进行机械调节。在该实施方式中，压力施加至装置内，以对膜208进行机械调节，操作通道252可以被对称地排布在膜208周围。例如，可以在顶部主体部分204的底部表面形成操作通道的上半部分252A，并且在底部主体206的顶部表面形成操作通道的下半部分252B，从而使得当两个主体部分204和206彼此配合，膜208位于中通道250A和微通道250B之间，由此，侧壁228和238以及通道壁234、244形成整个中央通道230和操作通道252的情况下，沿膜208的平面
208P可以将操作通道252平分为操作通道的上半部分252A和下半部分252B。
208P可以将操作通道252平分为操作通道的上半部分252A和下半部分252B。
[0138] 只要操作通道252的高度与宽度的长宽比允许将充足的机械力施加至膜、和/或产生充足的机械强度以承受周期性压力的施加，操作通道252的宽度可以是任意尺寸。在一些实施方式中，操作通道252的宽度范围可以为约100μm至约5mm、或约200μm至约2mm。
[0139] 在一些实施方式中，举例来说如图2D所示，操作通道252的高度可以小于中央通道230的高度。在一些实施方式中，操作通道252的高度可以占中央通道230高度的不超过
70％，包括例如占中央通道230高度的不超过60％、不超过50％、不超过40％、不超过30％、不超过20％或更小。在一些实施方式中，操作通道252的高度可为微通道250B高度的约1.5倍至约2.5倍。在一些实施方式中，操作通道252的高度范围可以为约20μm至约10mm、约50μm到5mm、或约100μm至约2mm。在一些实施方式中，操作通道252的高度范围可以为约50μm至约
2mm、约100μm至约1.5mm、或约150μm至约1000μm。在一个实施方式中，操作通道252的高度为约100μm至约300μm。在一个实施方式中，操作通道252的高度为约200μm至约800μm。
70％，包括例如占中央通道230高度的不超过60％、不超过50％、不超过40％、不超过30％、不超过20％或更小。在一些实施方式中，操作通道252的高度可为微通道250B高度的约1.5倍至约2.5倍。在一些实施方式中，操作通道252的高度范围可以为约20μm至约10mm、约50μm到5mm、或约100μm至约2mm。在一些实施方式中，操作通道252的高度范围可以为约50μm至约
2mm、约100μm至约1.5mm、或约150μm至约1000μm。在一个实施方式中，操作通道252的高度为约100μm至约300μm。在一个实施方式中，操作通道252的高度为约200μm至约800μm。
[0140] 在一些实施方式中，例如如图24A-图24B所示，操作通道2452的高度可大于中央通道2430的高度。在一些实施方式中，操作通道2452的高度可以比中央通道2430的高度大至少约5％，包括例如至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约95％以上。在一些实施方式中，操作通道2452的高度可以比中央通道2430的高度大至少约1.1倍，包括例如至少约1.5倍、至少约2倍、至少约3倍、至少约4倍、至少约5倍、至少约6倍或更高。在一些实施方式中，可以期望的是操作通道的高度大于中央通道的高度。不希望受理论的束缚，操作通道高度的增加通常为操作通道和中央通道之间的通道壁(例如图24A-图24B中所示的2434和2444)提供了更大的表面积，进而可允许更大的力作用在通道壁上，使其响应于操作通道和中央通道之间的压力差而挠曲(flex)。在一些实施方式中，当将更大的力作用在操作通道和中央通道之间的通道壁上时，可以使用更厚的通道壁。
[0141] 在一些实施方式中，操作通道的高度可实质上与中央通道的高度相同。
[0142] 使用图2E和图2F作为例子，在一些实施方式中，操作通道的顶部和底部(252A和252B)的宽度尺寸(示为A)分别为25μm至5000μm之间、或200μm至2000μm之间，然而可以使用其它宽度尺寸，例如这取决于施加至膜上的机械力的量。图2E和图2F示出了沿着装置的中央通道高度的至少一部分为均匀的宽度尺寸(示为B)，装置的中央通道沿着其高度的至少一部分还可具有非均匀的宽度尺寸B。
[0143] 只要允许通道壁响应于操作通道和中央通道230之间的压力差而挠曲，通道壁234、244可具有任意厚度。在一些实施方式中，通道壁234、244的厚度范围可为5μm至500μm之间，而还可以使用其它宽度尺寸，这取决于用于壁的材料、使用装置的应用。在一个实施方式中，通道壁234、244的厚度范围可为50μm至500μm之间、或70μm至300μm之间。
[0144] 如图2D所示，膜208沿着平面208P的方向取向，平面208P平行于中央通道230内的x-y平面。应当指出的是，尽管一个膜208示于中央通道230中，但可以将多于一个的膜208配置在中央通道230内，下面将更详细地进行讨论。除了定位于中央通道250内，在装置的形成过程中，膜208被通道壁234和244夹在适当的位置。
[0145] 在一些实施方式中，膜208可将中央通道250分隔成两个以上不同的中央子通道250A和250B，其中至少一个为中通道250A。
[0146] 如将在下面进一步详细讨论的，膜208可以是无孔的，或者可以至少一部分是足够多孔的，以允许细胞和/或分子从其中通过。膜208可以是刚性的或柔性的。在一些实施方式中，膜208是刚性的多孔膜。在其它实施方式中，膜208是柔性的多孔膜。膜208的至少一部分可以具有弹性或韧性性质，其允许对膜208进行操纵，以沿着一个或多个平面轴伸展/缩回。因此，在一些实施方式中，膜208的一个或多个部分可以是多孔且具有弹性的，或者多孔但非弹性的。在一些实施方式中，膜208可以是非多孔且具有弹性的，或者非多孔但缺乏弹性的。
[0147] 可以将压力差施加在装置内，以使膜208沿x-y平面发生相对连续的膨胀和收缩。特别是如上所述，一个或多个压力可沿着一个或多个操作通道252施加加压流体(例如空气)，从而操作通道252中的加压流体在通道壁234、244上产生压力差。
[0148] 在图2D所示的实施方式中，加压流体是仅通过操作通道252施加的真空或抽吸力。由对通道壁234、244的抽吸力引起的压力方面的差别使得壁234、244朝向装置的两侧228、
238(参见图2E-图2F)向外凸出或弯曲。考虑到膜208被固定并夹在通道壁234、244之间，从而壁234、244的相对移动使得膜的相对末端与壁一起移动，沿膜的平面拉伸。这种拉伸模仿了组织-组织界面所经历的机械力，例如呼吸过程的气道或支气管，并因此为细胞自组装为组织结构和细胞行为提供了相关调控。
238(参见图2E-图2F)向外凸出或弯曲。考虑到膜208被固定并夹在通道壁234、244之间，从而壁234、244的相对移动使得膜的相对末端与壁一起移动，沿膜的平面拉伸。这种拉伸模仿了组织-组织界面所经历的机械力，例如呼吸过程的气道或支气管，并因此为细胞自组装为组织结构和细胞行为提供了相关调控。
[0149] 当不再施加负压力(和/或将正压力施加至操作通道)时，操作通道252和中央通道230之间的压力差减小，并且通道壁234、244朝向它们的中间位置或在施加负压力前的原始位置而缩回。在操作过程中，将负压力在一定的时间间隔内交替地施加至装置200，以使膜
208沿其平面连续膨胀和收缩，从而在受控的体外环境内模拟了生理应变，该生理应变与活器官的组织-组织界面的运行相关的运动所产生的应变相同，例如但不限于呼吸、蠕动或心脏跳动。如将要讨论的，这种在受控环境内模仿的器官运行使得可以开发出不同的相应器官相关的疾病模型。例如，本文的装置可用于模拟气道或支气管中的呼吸运动，从而允许开发与呼吸和气道收缩相关的疾病模型，如哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)。在一些实施方式中，例如通过将适当类型的细胞培养在膜208的至少一个或两个表面上，并例如通过使用物理、化学和/或生物试剂在细胞中诱导疾病表型，该装置可用于模拟其它疾病模型，例如肺高压、辐射诱导损伤、囊性纤维化或空气传播疾病(如病毒或细菌感染)。可以对装置内的细胞行为、以及对膜和相关的第一和第二微通道250A、250B中的分子、化学品、微粒和细胞的通过进行监测。
208沿其平面连续膨胀和收缩，从而在受控的体外环境内模拟了生理应变，该生理应变与活器官的组织-组织界面的运行相关的运动所产生的应变相同，例如但不限于呼吸、蠕动或心脏跳动。如将要讨论的，这种在受控环境内模仿的器官运行使得可以开发出不同的相应器官相关的疾病模型。例如，本文的装置可用于模拟气道或支气管中的呼吸运动，从而允许开发与呼吸和气道收缩相关的疾病模型，如哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)。在一些实施方式中，例如通过将适当类型的细胞培养在膜208的至少一个或两个表面上，并例如通过使用物理、化学和/或生物试剂在细胞中诱导疾病表型，该装置可用于模拟其它疾病模型，例如肺高压、辐射诱导损伤、囊性纤维化或空气传播疾病(如病毒或细菌感染)。可以对装置内的细胞行为、以及对膜和相关的第一和第二微通道250A、250B中的分子、化学品、微粒和细胞的通过进行监测。
[0150] 应当注意的是，本说明书中的术语压力差涉及在中央通道和外侧操作通道之间的特定壁的相对侧上压力的差别。在一些实施方式中，可以用多种方式来产生压力差，以实现使膜208伸展和/或收缩的目标。如上所述，可以将负压力(即抽吸或真空)施加至一个或多个操作通道252上。或者，膜208可以被预加载或预加压而默认处于拉伸状态，使得通道壁234、244已经处于弯曲构造。在这个实施方式中，施加至操作通道252的正压力将产生使得通道壁234、244朝向中央通道向内移动的压力差，以使膜208收缩。
[0151] 在另一个实施方式中，将正压和负压的组合施加至一个或多个操作通道252，以使得膜208沿其平面在中央通道中移动。在任意上述实施方式中，期望的是一个或多个操作通道252中的流体的压力满足：使得事实上由一个或更多中央通道250A、250B中的流体的压力产生压力差，以引起膜208的相对膨胀/收缩。例如，可以将具有一定压力的流体施加至顶部中央通道250A内，由此在底部中央通道250B中的流体可以具有不同的压力。在这个实例中，施加至一个或多个操作通道252的压力必须考虑到在中央通道250A、250B中的一个或两个中流体的压力，以确保膜208发生期望的膨胀/收缩。
[0152] 在一个实施方式中，顶部和底部的微通道250A、250B之间可以存在压力差，使得膜208的至少一部分除了沿x-y平面膨胀/收缩外，还垂直于z方向伸展/缩回。
[0153] 在一个实施方式中，膜208的膨胀和收缩反过来对模仿生理机械诱因的贴壁细胞和ECM施加机械力，这可影响化学品、分子、微粒和/或流体或气体跨越组织-组织界面的运输，并改变细胞生理学。应当指出的是，尽管由操作通道252和中央通道230之间的压力差产生的膜的机械调节示于图2D中，但在其它实施方式中，机械手段(如微型马达或致动器)或可使膜移动的任意手段(包括使用一个或多个磁力)可用来协助或代替压力差，以在中央通道内提供膜的机械调节，从而例如调控细胞生理学。可以对膜进行机械调节，以使其在任意方向上移动，例如在平面208P内移动和/或垂直于平面208P移动。在一些实施方式中，可以对膜进行机械调节，以使其沿垂直于平面208P或位于平面208P内的单个轴移动。在替代性的实施方式中，可以对膜进行机械调节，以使其沿至少两个预定轴移动，例如界定平面208P的轴。膜的机械调节的其它示例性手段例如在2013年12月20日提交的美国临时申请61/919,181以及与本申请在2014年12月19日同时提交的相应的PCT申请“Organomimetic devices and methods of use and manufacturing thereof”(代理人案卷编号002806-
077551)中所述的方法可以在本文所述的装置中采用，以引用的方式将其内容并入本文。
077551)中所述的方法可以在本文所述的装置中采用，以引用的方式将其内容并入本文。
[0154] 在一些实施方式中，一个或多个通道可被配置为沿着通道的长度改变方向，例如，使用了弯折的或尖锐的弯曲。这可以提供使膜调控的方向沿通道的长度而变化的手段。
[0155] 虽然图2A-图2F示出了包括操作室252(用于膜208的机械调节)的装置200，但在膜的机械调节并非强制性、例如对经由气道的呼吸作用进行模拟的情况下，装置200不需要操作通道252。例如，如图2G所示，装置201包括由膜208分隔开的中通道250A和微通道250B，而在侧面没有操作室。在这个实施方式中，由于膜208不需要进行机械调节，因此膜可以是刚性的或至少部分柔性的。在一个实施方式中，膜208是刚性的。
[0156] 仅以举例的方式，本文所述装置的一些实施方式(例如如图2G所示)可用于建立人气道(例如人小气道或大气道)的至少一部分的模型。为了模仿气道的组织结构，应使用解剖学相关尺寸。由于人肺小气道在解剖学上定义为半径小于或等于1mm的气道，在一个实施方式中，对模仿人小气道的至少一部分(芯片小气道)的装置进行设计，使得中通道(“气道内腔”通道)的高度对应于小气道在体内的半径(例如小于或等于约1mm)。在一个实施方式中，芯片小气道具有高度约1mm的中通道。
[0157] 应当注意的是，尽管中央通道230和操作通道252被示出具有基本上方形或矩形的横截面，还可以使用其它横截面形状，例如圆形、椭圆形以及六边形。在一些实施方式中，中央通道230可以具有多边形横截面(例如U形、多边形或梳型)。仅以举例的方式，如图22A-图22B所示，中央通道2230可以具有基本上为U形的横截面。例如，可以通过分别在更宽的中通道2250(2250A、2250B)和微通道2260(2260A、2260B)中设置分隔壁2252或2262来形成U形横截面，其中，分隔壁垂直于平面2208P设置。因此，可以将较宽的中通道2250分隔成两个以上较小的中通道(2250A、2250B)；和/或将较宽的微通道2260分隔成两个以上较小的微通道(2260A、2260B)。图22A示出了包括至少一个中通道2250的装置2200A，所述至少一个中通道
2250通过膜2208同至少两个微通道2260A和2260B分隔开。图22B示出了包括至少两个中通道2250A和2250B的装置2200B，所述至少两个中通道2250A和2250B通过膜2208同至少一个微通道2260分隔开。因此，在一些实施方式中，可以在更宽的中通道和/或微通道中设置至少一个或多个(例如一个、两个、三个、四个以上)分隔壁，以在其中形成多个子通道(即，以形成较小的中通道和/或微通道)，其中，分隔壁垂直于平面2208P设置。分隔壁的高度可与中通道或微通道实质上相同，这取决于它们所设置的位置。只要它们在结构上是稳定的，分隔壁可以具有任意厚度。分隔壁可与膜2208形成液封，使得子通道(例如，2250A和2250B；
2260A和2260B)之间没有流体联通。在这些实施方式中，在膜的一个表面上的独立子通道中培养的不同细胞类型可以与在膜的另一表面上培养的相同细胞类型相互作用。可以将相同或不同的流体引入单个子通道中。
2250通过膜2208同至少两个微通道2260A和2260B分隔开。图22B示出了包括至少两个中通道2250A和2250B的装置2200B，所述至少两个中通道2250A和2250B通过膜2208同至少一个微通道2260分隔开。因此，在一些实施方式中，可以在更宽的中通道和/或微通道中设置至少一个或多个(例如一个、两个、三个、四个以上)分隔壁，以在其中形成多个子通道(即，以形成较小的中通道和/或微通道)，其中，分隔壁垂直于平面2208P设置。分隔壁的高度可与中通道或微通道实质上相同，这取决于它们所设置的位置。只要它们在结构上是稳定的，分隔壁可以具有任意厚度。分隔壁可与膜2208形成液封，使得子通道(例如，2250A和2250B；
2260A和2260B)之间没有流体联通。在这些实施方式中，在膜的一个表面上的独立子通道中培养的不同细胞类型可以与在膜的另一表面上培养的相同细胞类型相互作用。可以将相同或不同的流体引入单个子通道中。
[0158] 在这些实施方式中，存在至少一个分隔壁，子通道(例如，2250A和2250B；或2260A和2260B)的宽度小于前述中央通道的宽度。在一些实施方式中，子通道的宽度范围可以为50μm至10mm、或100μm至5mm、或200μm至1500μm，或400μm至1000μm、或50μm至2000μm。每个子通道可具有相同或不同的宽度。
[0159] 在一些实施方式中，根据实施方式的装置200可具有多于或少于两个操作通道252和/或多于或少于两个中央通道250A、250B。
[0160] 根据本发明的一些实施方式，可将装置放置于或固定在盒子(cartridge)中。根据本发明的一些实施方式，可以将装置整合至盒子中，并形成整体部件(monolithic part)。盒子的一些实例在2013年7月22日提交的美国申请61/856,876、2012年9月5日提交的美国临时申请61/696,997和2012年12月10日提交的61/735,215中进行了描述，以引用的方式将每件申请的内容整体并入本文。可以将盒子置于盒托(cartridge holder)以及从盒托中移除，该盒托可以在放置盒子后建立流体连接，并任选在移除盒子时封闭流体连接。根据本发明的一些实施方式，可以使盒子包含整合有至少一个传感器，可以将该传感器与在操作过程中流经盒子特定部分的流体置于直接或间接接触。根据本发明的一些实施方式，可以使盒子包含或整合有至少一个电气或电子电路，该电路例如处于印刷电路板或柔性电路的形式。根据本发明的一些实施方式，盒子可以包含衬垫凸起(gasketing embossment)以提供流体路由。
[0161] 根据本发明的一些实施方式，本文所述的盒子和/或装置可以包含条形码。对于存在于膜上的细胞的类型和/或状态，条形码可以是唯一的。因此，可以使用条形码作为适于对特定组织特异性病症和/或特定组织的至少一部分功能加以模仿的每个装置的标识。操作之前，可以通过仪器读取盒子的条形码，使得可以将盒子放置和/或排列在盒托中，使得在每个装置的操作过程中获得的数据进行适当关联和/或进行适当的流体连接。根据本发明的一些实施方式，从每个装置所获得的数据包括但不限于细胞响应、免疫细胞聚集、细胞内蛋白质的表达、基因表达、细胞因子/趋化因子的表达、细胞形态、功能数据(例如内皮作为屏障的有效性)、引入至装置中的试剂的浓度变化或它们的任意组合。
[0162] 根据本发明所述的一些实施方式，装置可以通过互连适配器与盒子相连，所述互连适配器将装置的部分或所有入口端口和出口端口连接至盒子上的端口或微流体通道。互连适配器的一些实例在2013年6月26日提交的美国临时申请61/839,702和2014年6月26日提交的国际专利申请PCT/US2014/044417中公开，在此以引用的方式将每件申请内容作为整体并入本文。互连适配器可以包括一个或多个具有流体通道的喷嘴，该流体通道可以由本文所述装置的端口接收。互连适配器还可以包括具有流体通道的喷嘴，所述流体通道可以由盒子的端口接收。
[0163] 根据本发明所述的一些实施方式，互连适配器可以包括隔膜互连器，其可允许装置的端口在操作过程中建立瞬时流体连接，并且在不使用时提供流体连接的密封，从而使细胞和装置的污染得以最小化。隔膜互连器的一些实例在2013年4月11日提交的美国临时申请61/810,944中进行了描述，在此通过引用将其内容整体并入本文。
[0164] 膜：膜可以是多孔的(例如可渗透的或选择性渗透的)、非多孔的(例如非渗透的)、刚性的、柔性的、弹性的或它们的任意组合。因此，膜208的孔隙率可以为约0％至约99％。本文所使用的术语“孔隙率”是材料中总空隙空间(例如通孔、开口、间质空间和/或中空导管)的量度，其为总孔隙体积占总体积的分数，为0至100％之间(或0至1之间)的百分比。实质上零孔隙率的膜是无孔的或非渗透的。
[0165] 本文可互换使用的术语“非多孔的”和“非渗透的”是指不允许任何分子或物质通过的材料。
[0166] 在一些实施方式中，膜可以是多孔的，因此允许分子、细胞、微粒、化学品和/或介质在中通道250A和微通道250B之间经由膜208迁移或传输，由中通道250A迁移或传输至微通道250B，反之亦然。
[0167] 本文所使用的术语“多孔的”通常是指可渗透的或选择性渗透的材料。本文所使用的术语“可渗透的”是指允许流体(例如液体或气体)、分子、整个活细胞和/或整个活细胞的至少一部分通过的材料，例如用于形成细胞-细胞接触的材料。本文所使用的术语“选择性渗透的”是指允许一个或多个目标组或类别通过、但对于非目标组或类别起到屏障作用的材料。例如，选择性渗透的膜可允许流体(例如液体和/或气体)、营养物、废物、细胞因子和/或趋化因子从膜的一侧向膜的另一侧通过，但不允许整个活细胞从其中通过。在一些实施方式中，选择性渗透的膜可允许某些细胞类型从其中通过，但不允许其它类型的细胞通过。
[0168] 可基于多种因素测定膜对个别物质/物质种类的渗透性，所述因素包括例如膜的材料性质(例如孔径和/或孔隙率)、膜材料和个别物质种类/物质的亲和性和/或相互作用、个别物质种类的尺寸、膜两侧之间的个别物质种类的浓度梯度、个别物质种类的弹性和/或它们的任意组合。
[0169] 多孔膜可具有在膜的两个表面之间横向和/或纵向延伸的通孔和/或孔(图2B)、和/或贯穿其体积的空间或孔的连接网络(其可以为例如开口、间质空间或中空导管)。可以通过所选择的膜材料的固有物理性质，和/或通过向膜材料中引入导管、孔和/或洞，来贡献膜的多孔特性。
[0170] 在一些实施方式中，膜可以是多孔支架或网。在一些实施方式中，多孔支架或网可以通过本领域中已知的任意方法(包括例如但不限于，静电纺丝、冷冻胶凝、蒸发铸造和/或3D打印)，由以下材料制成：至少一种细胞外基质聚合物(例如但不限于胶原、藻酸盐、明胶、纤维蛋白、层粘连蛋白、羟基磷灰石、透明质酸、纤蛋白和/或壳聚糖)；和/或生物聚合物或生物相容性材料(例如但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、聚(甲基丙烯酸羟乙酯)(pHEMA)、聚乙二醇、聚乙烯醇和/或本文所述用于制造装置主体的任何生物相容性材料)。参见例如Sun等(2012)“Direct-Write Assembly of 3D Silk/Hydroxyapatite Scaffolds for Bone Co-Cultures”，Advanced Healthcare Materials，第1期：729-735；Shepherd等(2011)“3D Microperiodic Hydrogel Scaffolds for Robust Neuronal Cultures.”，Advanced Functional Materials，21：47-54；和BarryIII等(2009)“Direct-Write Assembly of 3D Hydrogel Scaffolds for Guided Cell Growth”，Advanced Materials，21：1-4，作为可用作本文所述装置的膜的3D生物聚合物支架或网的实例。
[0171] 在一些实施方式中，膜可以包括由包含苯乙烯类嵌段共聚物的组合物所制成的弹性体部分，所述组合物例如在2013年12月20日提交的美国临时申请61/919,181以及与本申请在2014年12月19日同时提交的相应的PCT申请“Organomimetic devices and methods of use and manufacturing thereof”(代理人案卷编号002806-077551)中所述，可以在本文所述的装置中采用，以引用的方式将其内容并入本文。在一些实施方式中，包含苯乙烯类嵌段共聚物的组合物可以包含SEBS和聚丙烯。
[0172] 在一些实施方式中，膜可以是水凝胶或凝胶，其包含细胞外基质聚合物和/或生物聚合物或生物相容性材料。在一些实施方式中，水凝胶或凝胶可以嵌入导管网络，例如以促进流体和/或分子运输。参见例如Wu等(2011年)“Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks.”，Advanced Materials，23：H178-H183；和Wu等(2010)“Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport.”，Soft Matter，6：739-742，作为将导管网络引入凝胶材料的示例性方法。
[0173] 在一些实施方式中，多孔膜可以是固态生物相容性材料或聚合物，其本质上对至少一种物质/物质种类(例如气体分子)是可渗透的，和/或允许细胞-细胞接触的形成。在一些实施方式中，可以将通孔或孔眼引入至固态生物相容性材料或聚合物，从而例如增强流体/分子运输和/或细胞迁移。在一个实施方式中，可以通过固态生物相容性材料切割或蚀刻通孔或孔眼，以使通孔或孔眼在膜的两个表面208A和208B之间垂直地和/或横向地延伸。还应当指出的是，孔可另外地或替代性地沿着膜208的至少一部分包含裂缝或其它形状的孔眼，其允许细胞、粒子、化学品和/或流体通过膜208从中央通道的一个区段通过至另一区段。
[0174] 膜的孔(包括通过膜208从其表面顶部208A延伸至其表面底部208B的孔眼，和/或膜208内的空隙空间的连接网络)可以具有任意尺寸和/或形状的横截面。例如，孔可具有五边形、圆形、六角形、正方形、椭圆形、卵形、菱形和/或三角形的形状。
[0175] 孔的横截面可以具有任意宽度尺寸，只要它们允许所期望的分子和/或细胞通过膜。在一些实施方式中，可以对孔径大小进行选择，以允许细胞(例如免疫细胞和/或癌细胞)从膜的一侧通过至另一侧。在一些实施方式中，可以对孔径大小进行选择，以允许营养物分子通过。当将细胞培养在膜的气-液界面处时，膜的孔径应该足够大，从而使得细胞能够充分接近存在于“液体”通道(或微通道)中的营养物。在一些实施方式中，可以对孔的宽度尺寸进行选择，以允许分子、粒子和/或流体通过膜208，但阻止细胞通过膜208。在一些实施方式中，可以对孔的宽度尺寸进行选择，以允许细胞、分子、粒子和/或流体通过膜208。因此，可以部分地基于感兴趣的细胞、分子和/或粒子的尺寸对孔的宽度尺寸进行选择。在一些实施方式中，孔的宽度尺寸(例如圆形孔的直径)范围可以为0.01μm至20μm之间；或在一个实施方式中，该范围可以为约0.1-10μm、或约7-10μm。然而，在一些实施方式中，该宽度尺寸可以在上面提供的范围之外。在一些实施方式中，膜208具有比传统分子/化学过滤装置更大的孔或孔眼，其允许细胞以及分子从一个通道区段(例如250A)穿过膜208迁移至另一个通道区段(例如250B)，或反之亦然。在一个实施方式中，可以对孔的宽度尺寸进行选择，以使得所选的细胞类型(而非存在于膜上的所有不同细胞类型)可以通过孔迁移。
[0176] 在一些实施方式中，多孔膜包含通孔或孔眼，孔眼可随机或均匀地分布(例如以阵列或以特定的图案，或者以孔径的梯度)在膜上。在一个实施方式中，孔眼以六边形排列在膜上。在一个实施方式中，至少一些孔眼或所有孔眼与每个相邻孔眼距离相等。在本实施方式中，至少一些孔眼或所有孔眼的中心至中心孔间距为约1μm至约1000μm、或约10μm至约500μm、或约20μm至约100μm。在一个实施方式中，至少一些孔径或所有孔径的中心至中心孔间距为约20μm至约50μm。孔之间的间距可以变化，例如随细胞的尺寸而变化。不希望受理论的束缚，较大的孔间距可用于较大的细胞、例如上皮细胞，同样，较小的孔间距可用于较小的细胞。
[0177] 在一个实施方式中，可以对多孔膜208进行设计或表面图案化，以在其中包含微图案和/或纳米图案、例如凹槽和脊，从而使图案的任意参数或特征可被设计为期望的尺寸、形状、厚度和填充材料等。
[0178] 暴露于中通道250A和微通道250B的膜的表面积可以变化，例如这取决于表面积与待建模器官或组织的体积的生理比率、中通道和/或微通道的体积、细胞分析和/或检测方法以及它们的任意组合。暴露于中通道和/或微通道的膜的表面积与中通道和/或微通道的体积的适当比例可以确保装置能够更像体内器官或组织一样运作，进而允许将体外结果外推至体内系统。在一些实施方式中，可对暴露于中通道250A和微通道250B的膜的表面积进行设置，以满足表面积与待建模器官或组织的体积的生理比率。在一些实施方式中，膜的表面积可被配置为细胞培养提供足够的空间，例如使得能够收集足够量的细胞材料(例如蛋白质、RNA、分泌的细胞因子和/或趋化因子)用于分析，所述分析例如使用定量PCR、ELISA、测序和/或质谱法。在一些实施方式中，膜的表面积可被配置为提供足够的空间用于细胞行为的检查和/或监测，例如但不限于免疫细胞募集和/或外渗。
[0179] 该膜208可以具有任意厚度，只要所选择的厚度不显著影响细胞行为和/或响应。例如，在一些实施方式中，可以对膜的厚度进行选择，以使得该厚度不显著减缓或抑制细胞(例如免疫细胞和/或癌细胞)从膜的一侧向另一侧迁移；和/或该厚度不影响在“气道内腔”通道生长的细胞接近“血管”通道中的营养物。在一些实施方式中，膜208的厚度范围可为
70nm至100μm之间、或1μm至100μm之间、或10μm至100μm之间。在一个实施方式中，膜208的厚度范围可以为10μm至50μm之间。膜208通常在整个长度或宽度上具有均匀的厚度，在一些实施方式中，膜208可以被设计为包含厚度比膜208的其它区域更小或更大的区域。减小厚度的区域209可以沿着膜208的整个长度或宽度延续，或者可替代性地仅位于膜208的某些位置。减小厚度的区域可沿着膜208的底部表面(即面向微通道250B)存在，或者另外地/替代性地位于膜208的相对表面(即面向微通道250A)。还应当指出的是，膜208的至少部分可具有一个或多个相对于膜的其余部分更厚的区域，并且能够具有与如上所述减小厚度的区域相同的替代物。
70nm至100μm之间、或1μm至100μm之间、或10μm至100μm之间。在一个实施方式中，膜208的厚度范围可以为10μm至50μm之间。膜208通常在整个长度或宽度上具有均匀的厚度，在一些实施方式中，膜208可以被设计为包含厚度比膜208的其它区域更小或更大的区域。减小厚度的区域209可以沿着膜208的整个长度或宽度延续，或者可替代性地仅位于膜208的某些位置。减小厚度的区域可沿着膜208的底部表面(即面向微通道250B)存在，或者另外地/替代性地位于膜208的相对表面(即面向微通道250A)。还应当指出的是，膜208的至少部分可具有一个或多个相对于膜的其余部分更厚的区域，并且能够具有与如上所述减小厚度的区域相同的替代物。
[0180] 膜208可以是刚性的或柔性的。在一些实施方式中，膜可以由刚性材料制成，例如但不限于聚碳酸酯。在一些实施方式中，膜可以由柔性材料制成，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或任何其它的聚合化合物或材料。例如，膜208可以由聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁烯(polychlorophene)、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、腈、聚氨酯和聚硅氧烷。可以使用GE RTV615、乙烯基硅烷交联(型)有机硅弹性体(家族)。聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜为可获得自Bisco Silicons(Elk Grove，Ill.)的HT-6135和HT-6240膜，并且在选定的应用中是有用的。材料的选择通常取决于所进行的应用所需的特定材料性质(例如耐溶剂性、刚度、流体渗透性和/或温度稳定性)。可以在微流控装置组件的制造中使用的额外弹性体材料在Unger等(2000，Science，288：113-116)中进行了描述。本装置的一些弹性体被用作隔膜，并且除了其拉伸和松弛特性以外，还针对其孔隙率、透过性、耐化学性及其润湿和钝化特性进行选择。出于热导率而选择其它弹性体。Micronics Parker Chomerics Thermagap材料61-
02-0404-F574(0.020”厚)是仅需要5-10psi压力的软弹性体(<5Shore A)，提供1.6W/m-°K的热导率。还可在微流控装置中使用缺乏弹性的可变形膜。还可以使用交联或非交联的ECM凝胶、丝作为其它合适的材料，来制造本文所述的装置和膜。
02-0404-F574(0.020”厚)是仅需要5-10psi压力的软弹性体(<5Shore A)，提供1.6W/m-°K的热导率。还可在微流控装置中使用缺乏弹性的可变形膜。还可以使用交联或非交联的ECM凝胶、丝作为其它合适的材料，来制造本文所述的装置和膜。
[0181] 本文所述的装置200可用于研究不同细胞过程的各种应用范围，例如但不限于粒子的纤毛清除、上皮分化和细胞因子产生、响应于发展中的相关疾病模型的炎症反应，例如但不限于哮喘、COPD、肺动脉高压、辐射诱导损伤、囊性纤维化以及空气传播疾病(如病毒感染或细菌感染)。装置200或201可以与以下各项一起使用、或不与其一起使用：位于下面的内皮、不同的免疫细胞类型或白血球类型、平滑肌细胞、成纤维细胞等。例如，在一个应用中，本发明人使用本文所述装置的一个实施方式(例如，如图2D或图2G所示)，首次证明了人原代气道上皮细胞在微流控平台中的分化。
[0182] 在一个实施方式中，膜208可经受由膜208的周期性拉伸和/或中通道和微通道的一个或两者中生物流体(例如空气、黏液、血液、培养基)的流动而产生的生理机械应变，以重现气道的天然微环境和任选的下部毛细血管。在一个实施方式中，可以在细胞外基质(ECM)的涂层、培养基灌注或周期性机械应变下对细胞在膜208上的培养条件进行优化，以维持共培养细胞的形态和功能特征，并允许它们穿过膜208进行直接的细胞相互作用。因此，装置200将允许长期的细胞培养，与此同时，对生长在膜上的气道上皮或内皮细胞的相邻单层进行任选的动态机械拉伸。
[0183] 在膜208上的细胞可以显示对应于预先确定的生理终点的至少一个特性。本文所使用的术语“生理终点”是指细胞在特定时间点所希望达到的预先确定的状态。细胞可以在装置中在一段时间内保持相同的生理终点，或者它们可在稍后的时间点在装置中达到不同的生理终点。预先确定的生理终点的实例可以包括但不限于成熟状态、分化状态、前体状态、复层状态、假复层状态、融汇状态、发炎状态、感染状态、受激状态、活化状态、抑制状态、正常健康状态、疾病特异性状态、疾病前状态、受损(distressed)状态、生长状态、迁移状态、三维状态或它们的任意组合。
[0184] 本文所使用的术语“前体状态”是指具有分化为成熟细胞的能力的细胞。因此，前体状态是指部分或完全未分化的细胞。在一些实施方式中，处于前体状态的细胞可包括部分未分化细胞，其能够脱分化成更原始的状态。在一些实施方式中，术语“前体状态”可以指祖细胞或干细胞。
[0185] 本文所使用的术语“成熟状态”是指特定组织的完全分化的细胞。成熟的细胞既不是胎儿细胞，也不是胚胎细胞，并且不是配子谱系的(gamete lineage)。
[0186] 本文所使用的术语“分化状态”是指部分或完全分化成组织特异性细胞的细胞。完全分化的细胞可以被认为是本文所定义的处于成熟状态的细胞。在一些实施方式中，分化的细胞能够形成复层结构。在一些实施方式中，分化的细胞可以形成3-D结构。
[0187] 本文所使用的术语“复层状态”是指基本上排布在多于一层中的细胞，例如2层、3层、4层以上。
[0188] 本文所使用的术语“假复层状态”是指以单层存在，但当通过免疫染色对其进行可视化时，看起来好像形成多层的细胞。例如，假复层上皮是下述上皮类型：尽管其仅包含细胞的单层，但其细胞核位于不同的水平，从而产生细胞复层的错觉。
[0189] 本文所使用的术语“融汇状态”是指表面积被细胞完全或几乎完全覆盖(至少约50％-60％的覆盖率)的状态(例如，允许细胞增殖的可用的膜表面积)。
[0190] 本文所使用的术语“发炎状态”是指显示出与炎症相关的至少一个表型的细胞。与炎症相关的示例性表型包括但不限于：免疫细胞(例如但不限于嗜中性粒细胞、单核细胞、淋巴细胞、树突细胞和未成熟的巨噬细胞)的附着和募集、炎症相关分泌的细胞因子/趋化因子和/或细胞内分子的存在或表达的增加、纤毛细胞数量减少、纤毛形态异常、杯状细胞的比例增加、黏液分泌增多、纤毛跳动频率异常以及它们的任意组合。
[0191] 本文所使用的术语“感染状态”是指显示出与微生物感染相关的至少一个表型的细胞，所述微生物感染例如但不限于病毒感染、细菌感染、真菌感染、寄生虫感染和/或它们的任意组合。与微生物感染相关的示例性表型包括但不限于：在感染细胞中微生物蛋白质(例如病毒/细菌蛋白质)的存在、感染细胞的上皮的破坏、由感染细胞分泌的细胞因子/趋化因子(如CXCL10或IL8)水平升高、细胞抗微生物蛋白质(例如，诸如MX蛋白的抗病毒蛋白质)的存在、来自中通道/微通道的流出物中的微生物复制以及它们的任意组合。
[0192] 本文所使用的术语“激活状态”是指具有至少一个处于活化状态的细胞过程(例如但不限于迁移潜能、细胞增殖、蛋白质合成和/或细胞因子分泌)的细胞。例如，可以通过改变至少一个基因表达、和/或至少一种蛋白质的磷酸化/去磷酸化，来影响细胞过程。
[0193] 本文所使用的术语“抑制状态”是指具有至少一个处于抑制状态的细胞过程(例如但不限于迁移潜能、细胞增殖、蛋白质合成和/或细胞因子分泌)的细胞。例如，可以通过改变至少一个基因表达、和/或至少一种蛋白质的磷酸化/去磷酸化，来影响细胞过程。
[0194] 本文所使用的术语“受激状态”是指细胞响应于向它们暴露的条件诱导剂的状态。本文所使用的术语“条件诱导剂”是指能够引起细胞显示出偏离基础状态(不暴露于条件诱导剂)表型的任何试剂。条件诱导剂可以引发有利或不利的影响，例如对细胞的细胞毒性作用。在一些实施方式中，条件诱导剂的实例可包括但不限于：环境因素，例如辐射(例如γ辐射)和机械应力(例如流体剪切应力)；蛋白质、肽、核酸、抗原、细胞因子、生长因子、毒素、细胞(包括原核细胞和真核细胞，如病毒、细菌、真菌、寄生虫和哺乳动物细胞)、微粒(例如烟粒子或石棉)、粒子(例如纳米粒子或微粒子、磁性粒子)、小分子、生物制剂以及它们的任意组合。因此，受激状态可涵盖成熟状态、分化状态、前体状态、复层状态、假复层状态、发炎状态、感染状态、激活状态、疾病特异性状态以及它们的任意组合。
[0195] 本文所使用的术语“正常健康状态”是指：没有任何疾病或疾患的任何症状，或未被确认为任何疾病或疾患，或未接受任何物理、化学和/或生物处理的状态；或者由技术人员基于显微镜检查确认为健康的状态。
[0196] 本文所使用的术语“疾病特异性状态”是指重现与疾病、疾患或损伤相关的至少一个特征、或者它们的不同阶段的细胞状态。在一些实施方式中，术语“疾病特异性状态”可以指疾病、疾患或损伤的特定阶段或等级。疾病、疾患或损伤的实例可涉及任何器官或组织，例如但不限于肺、脑、神经网络、血脑屏障、血管、肾脏、肝脏、心脏、脾脏、胰腺、卵巢、睾丸、前列腺、皮肤、眼、耳、骨骼肌、结肠、肠道和食道。在一些实施方式中，疾病特异性状态可与肺部疾病相关，例如但不限于哮喘、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、肺动脉高压、辐射诱导损伤、囊性纤维化或它们的任意组合。在一些实施方式中，疾病特异性状态可以与肠道疾病相关，例如但不限于炎性肠病、Crohn病、溃疡性结肠炎、乳糜泻、血管发育不良、阑尾炎、肠扭转、慢性功能性腹痛、腹腔疾病、结直肠癌、憩室病、子宫内膜异位、肠道病毒、肠胃炎、Hirschsprung病、回肠炎、肠易激综合征、息肉、伪膜性结肠炎或它们的任意组合。在一些实施方式中，疾病特异性状态可以包括癌症的特定阶段。
[0197] 处于疾病特异性状态的细胞既可由携带疾病、疾患或损伤的患者的活体组织切片获得，或者可通过使用条件诱导剂(例如，诸如辐射的环境试剂；化学或生物试剂，例如但不限于本文所述的细胞因子和/或病原体)诱导正常健康细胞获得，已知条件诱导剂诱导细胞，以获取与疾病、疾患或损伤相关的至少一个特性。
[0198] 本文所使用的术语“生长状态”是指细胞在尺寸和/或数量上增长的状态。在一些实施方式中，处于生长状态的细胞呈指数增长。
[0199] 本文所使用的术语“迁移状态”是指具有或采取至少一个或多个迁移表型的细胞，例如但不限于：钙粘蛋白连接(例如E-钙粘蛋白连接)的中断；增加的金属蛋白酶表达；通过病灶点的细胞-细胞相互作用、纺锤形形态、尖-基底极性的损失以及它们的任意组合。在一些实施方式中，迁移状态可以包括上皮-间质转变或转化(EMT)，它是上皮细胞失去细胞极性和细胞-细胞粘连，并获得迁移特性成为间充质细胞的过程。EMT发生在不同的发育过程中，包括中胚层形成和神经管形成。EMT还发生在伤口愈合、器官纤维化和癌症演进的转移初始过程中。在一些实施方式中，本文所述的装置可用于建立转移模型，其中，至少一些癌细胞经历EMT，变得具有迁移性，并从膜的一侧(肿瘤细胞存在的一侧)迁移至另一侧(“血管”通道)。
[0200] 本文所使用的术语“变态(metamorphosing)状态”是指能够容易地发生变态或发育转变、或者正在经历变态或发育转变的组织(例如一组细胞)。在一些实施方式中，变态状态是指正在经历诱导(例如上皮-间质界面转化成完全或部分发育的特定组织，例如牙齿、骨或上皮腺)的胚胎组织。在一些实施方式中，变态状态是指正在经历变态的昆虫组织、或正在经历整个发育转变的任何完整组织。
[0201] 本文所使用的术语“三维状态”是指处于三维结构的细胞排列。仅以举例的方式，肠上皮细胞生长成褶皱并形成处于管状突起形式的绒毛。
[0202] 本文所述的装置可以用于生长和培养细胞，通过优化细胞培养条件，以达到预先确定的生理终点。可以优化的细胞培养条件包括但不限于：接种密度、细胞源和/或类型、支持细胞、培养基组成、空气和/或培养基的流速、气-液界面的存在或缺失、机械刺激(例如由膜运动诱导的)的要求、膜的表面特性、中通道和/或微通道的尺寸或者它们的任意组合。可以通过细胞形态和/或与预先确定的生理终点相关的至少一个标记物的存在，来检测预先确定的生理终点，这将在下面的实例中进行进一步说明。
[0203] 为达到预先确定的生理终点的细胞培养条件的优化：如以上所讨论的，可以在本文所述的装置中对若干细胞培养条件参数进行优化，用于不同的预先确定的生理终点。示例性的细胞培养条件参数包括但不限于：细胞相关的参数(例如细胞源、细胞类型、支持细胞、接种密度以及融汇程度)；培养基相关的参数(例如培养基的组成或配方)；微环境相关的参数(例如空气和/或培养基的流速、气-液界面的存在或缺失、机械刺激的要求、膜的表面特性以及中通道和/或微通道的尺寸)以及它们的任意组合。
[0204] 细胞相关的参数：在装置中使用的细胞可以是原代细胞(例如直接从活组织(例如人或动物的活体组织切片材料)获得的任何细胞，其包括但不限于正常健康细胞和疾病特异性细胞)、永生的或建立的细胞系、干细胞(例如胚胎干细胞，胎儿干细胞，成体干细胞，来源于骨髓、脐带血和/或羊水的干细胞、诱导的多能干细胞和患者特异性干细胞)和/或修饰的细胞。
[0205] 在一些实施方式中，在本文所述的装置中使用的细胞可包括原代细胞。例如，可从一个或多个健康供体获得正常健康细胞。疾病特异性细胞可以从诊断患有特定疾病的一名或多名患者获得。例如，哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)和囊性纤维化(CF)相关的气道细胞可以分别从一名或多名哮喘、COPD和CF患者处获得。
[0206] 在一些实施方式中，可以使用本文所述的条件诱导剂对细胞的表型和/或行为进行修饰。例如，通过使用已知在细胞中诱导特定疾病症状的试剂对正常健康细胞进行刺激，以使正常健康细胞进行转化，使其在表型上和/或形态上表现得像疾病特异性细胞。在一个实施方式中，香烟烟雾可以用来刺激正常健康细胞，用于诱导慢性阻塞性肺病(COPD)表型。在另一个实施方式中，可以通过在正常健康细胞中诱导炎症，由正常健康细胞衍生出哮喘样细胞，例如：通过暴露于本文所述的促炎因子，例如但不限于TNF-α；通过用过敏原(例如屋尘螨)刺激正常细胞；和/或通过用TH2细胞因子(如IL-13)进行刺激。
[0207] 在一些实施方式中，可以例如通过使一个或多个基因沉默、或使一个或多个基因过表达，对在本文所述装置中使用的细胞进行遗传修饰。基因沉默的示例性方法包括但不限于：RNA干扰(例如但不限于小干扰RNA(siRNA)、微RNA(miRNA)和/或短发夹RNA(shRNA))、反义寡核苷酸、核酶、三螺旋形成寡核苷酸等。替代性地或额外地，可以用可检测报告子对细胞进行标记(例如诸如荧光分子的光学报告子、和/或蛋白标签)。仅以举例的方式，通过敲除或沉默囊性纤维化跨膜传导调节蛋白(CFTR)基因，可由正常健康细胞衍生出CF-相关的气道细胞，其中，已知至少一个或多个突变的存在会造成CF。用于基因沉默的方法在本领域中是已知的。举例来说，可以例如通过慢病毒系统将CFTR靶向shRNA、siRNA、反义寡核苷酸、核酶和/或三螺旋形成寡核苷酸引入正常健康气道细胞(例如原代细胞)，从而使CFTR基因沉默，进而可以在正常健康细胞中造成CF表型。
[0208] 可以根据待模仿的组织和/或它的功能，对不同类型的细胞进行适当地选择。仅以举例的方式，可以选择肺泡细胞用于本文所述的装置，以模拟呼吸过程中一部分肺部气囊中的微环境；而可将气道或支气管上皮细胞用于模拟呼吸过程中气道(例如小气道)或支气管中的微环境。在本文所述的装置中还可以使用其它组织特异性细胞，来模拟相应组织的一部分，所述组织特异性细胞例如心脏细胞(例如但不限于心肌细胞、结缔组织细胞、主动脉细胞、心房细胞、心室细胞和心脏瓣膜间质细胞)、消化道细胞(例如但不限于食管细胞、胃细胞、肠细胞和结肠细胞)、肝脏细胞(例如但不限于karat实质细胞和非实质细胞，例如正弦肝内皮细胞、Kupffer细胞和肝星状细胞)以及皮肤细胞(例如但不限于角化细胞、成纤维细胞、脂肪细胞、结缔组织细胞、真皮细胞、表皮细胞和/或腺细胞)。可以在本文所述装置中使用的各种组织的其它细胞类型在以下“细胞”部分中进行说明。在一些实施方式中，干细胞可以用于分化成不同的细胞类型。
[0209] 在一些实施方式中，支持细胞可以与感兴趣的主题细胞一起培养。本文所使用的术语“支持细胞”是指提供保护、支持、化学信号(例如由支持细胞分泌的因子)和/或物理信号(例如主题细胞和支持细胞之间的直接物理接触)的细胞，其对于感兴趣的主题细胞的适当表型和/或功能而言是必不可少的。例如，间质细胞(例如但不限于成纤维细胞和/或平滑肌细胞)可以用作上皮细胞的支持细胞，并且作为上皮的“饲养”层发挥作用。在一个实施方式中，肺间质细胞(例如成纤维细胞和/或平滑肌细胞)可以用作气道上皮细胞的支持细胞。
[0210] 接种密度和/或细胞融汇程度可影响细胞形态和/或它们的行为(例如但不限于增殖、活力、迁移、蛋白质合成和/或分化)。细胞接种密度和/或细胞融汇程度可以针对个体细胞类型(例如细胞大小)和/或细胞信号模式(例如直接接触、旁分泌信号和/或内分泌信号)进行优化。例如，相比于可以依靠旁分泌信号的细胞，需要细胞主体的至少一部分与相邻细胞直接接触以增殖并保持活力的细胞通常需要以更高的细胞密度进行接种。因此，细胞的接种密度范围可以为约0.01个细胞/μm2至约1个细胞/μm2、或约0.05个细胞/μm2至约0.5个细胞/μm2。类似地，一些细胞可以生长在群落稀少的环境中，而其它细胞类型可能需要更密集的群落。因此，细胞融汇呈度范围可以为约30％至100％、或约50％至100％。在一个实施方式中，可以将气道细胞以约0.1个细胞/μm2的接种密度接种在本文所述的装置中，可提供约90％-100％的融汇。
[0211] 培养基相关的参数：由于不同的细胞类型在细胞周期的不同阶段(例如增殖vs分化)中可能需要营养物和/或补充剂(例如生长因子和/或小分子，例如氨基酸和矿物质)的独特组合和浓度，细胞培养基的配方可以随个体细胞类型和/或它们所处的细胞周期的阶段的变化而变化。例如，如实施例1所示，在细胞已经增殖至达到融汇之后，在培养基中使用更高浓度的视黄酸，以诱导气道细胞分化为纤毛和黏液分泌细胞。因此，在本文所述装置中可以使用一种或多种细胞培养基(或至少两种细胞培养基的混合物)，以实现本文所述的任何生理终点。在一些实施方式中，在本文所述装置中可以使用至少两种细胞培养基的混合物，以在共培养条件下接纳至少两种以上细胞类型。仅以举例的方式，在共培养条件下，可以将上皮细胞(任选地与支持细胞一起，例如成纤维细胞和/或平滑肌细胞)培养在中通道内，而可以将内皮细胞(任选地与支持细胞一起)培养在微通道中。替代性地或另外地，可以将免疫细胞以静态流体或流动流体形式引入微通道。
[0212] 细胞培养基可以包含：氨基酸(例如但不限于丙氨酸、精氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、胱氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、L-蛋氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸、色氨酸、酪氨酸和缬氨酸)；维生素(例如但不限于++叶酸、异肌醇、抗坏血酸、生物素、氯化胆碱、Ca -泛酸盐、甲萘醌、烟酰胺、烟酸、对氨基苯甲酸(PABA)、吡哆醛、吡哆醇、核黄素、盐酸硫胺素、维生素A醋酸酯、维生素B12和维生素D2)；
无机盐(例如钠盐、镁盐和钙盐)；过渡金属、脂质、肽、碳水化合物(例如葡萄糖)、丙酮酸钠、缓冲溶液(例如N-{2-羟乙基}哌嗪-N'-[2-乙磺酸](HEPES)或者一种或多种其它两性离子缓冲剂)、pH指示剂(例如酚红)、抗生素(例如青霉素和/或链霉素)、细胞因子、激素(例如肾上腺素、氢化可的松和/或胰岛素)、血清、血清白蛋白、转铁蛋白、视黄酸(维生素A)、硫酸腺嘌呤、ATP、痕量元素(例如但不限于铝、锌、镉、锆、锡、铷、银、氟、铁、硅、钼、锗、钛、钒、硒、镍、铜、铬、锰、碘、钴、溴和钡的离子)、脱氧核糖、乙醇胺、谷胱甘肽、次黄嘌呤、亚油酸、硫辛酸、磷酸乙醇胺、腐胺、胸苷、尿嘧啶、黄嘌呤、任何本领域公认的培养补充剂以及它们的任意组合。这些成分中的每个均可以商购获得，例如购自Sigma(Saint Louis，Missouri)。
无机盐(例如钠盐、镁盐和钙盐)；过渡金属、脂质、肽、碳水化合物(例如葡萄糖)、丙酮酸钠、缓冲溶液(例如N-{2-羟乙基}哌嗪-N'-[2-乙磺酸](HEPES)或者一种或多种其它两性离子缓冲剂)、pH指示剂(例如酚红)、抗生素(例如青霉素和/或链霉素)、细胞因子、激素(例如肾上腺素、氢化可的松和/或胰岛素)、血清、血清白蛋白、转铁蛋白、视黄酸(维生素A)、硫酸腺嘌呤、ATP、痕量元素(例如但不限于铝、锌、镉、锆、锡、铷、银、氟、铁、硅、钼、锗、钛、钒、硒、镍、铜、铬、锰、碘、钴、溴和钡的离子)、脱氧核糖、乙醇胺、谷胱甘肽、次黄嘌呤、亚油酸、硫辛酸、磷酸乙醇胺、腐胺、胸苷、尿嘧啶、黄嘌呤、任何本领域公认的培养补充剂以及它们的任意组合。这些成分中的每个均可以商购获得，例如购自Sigma(Saint Louis，Missouri)。
[0213] 可以在细胞培养基中使用的细胞因子包括生长因子，例如表皮生长因子(EGF)、酸性成纤维细胞生长因子(aFGF)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、肝细胞生长因子(HGF)、胰岛素样生长因子1(IGF-1)、胰岛素样生长因子2(IGF-2)、角化细胞生长因子(KGF)、神经生长因子(NGF)、血小板衍生的生长因子(PDGF)、转化生长因子β(TGF-β)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)；转铁蛋白；各种白介素(例如IL-1至IL-18)；各种集落刺激因子(例如粒细胞/巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF))；各种干扰素(例如IFN-γ)；以及对造血干细胞有影响的其它细胞因子，例如干细胞因子(SCF)和促红细胞生成素(Epo)。这些细胞因子可商购获自例如Life Technologies有限公司(Rockville，Maryland)或R&D Systems(Minneapolis，Minnesota)，或购自Peprotech(Rocky Hill，NJ)，并且可以是天然的或重组的。在一些实施方式中，对于各种哺乳动物细胞的培养，可使基础培养基以约0.1-100ng/ml的浓度包含EGF。在一些实施方式中，可使基础培养基以约1-10ng/ml的浓度包含EGF。在一些实施方式中，可使基础培养基以约5-10ng/ml的浓度包含EGF。如果使用的话，可将其它细胞因子以一定浓度加入，该浓度可以通过经验测定，或通过已建立的细胞因子领域作为指导。对于可以加入至细胞培养基中的其它细胞因子，请参见“细胞因子的另外的实例”部分。
[0214] 可以对培养基各组分的浓度进行优化，用于不同的细胞类型和待达到的生理终点。在一般情况下，培养基的组分可各自独立地以约1x10-10mg/L至约1x104mg/L的量存在。例如，氨基酸的浓度范围可以为约0.05mg/L至约750mg/L；维生素的浓度范围为约
0.0005mg/L至约500mg/L；无机盐的浓度范围为约1mg/L至约10000mg/L；痕量元素的浓度范围为约1x10-10mg/L至约0.5mg/L。
0.0005mg/L至约500mg/L；无机盐的浓度范围为约1mg/L至约10000mg/L；痕量元素的浓度范围为约1x10-10mg/L至约0.5mg/L。
[0215] 在一些实施方式中，用于本文所述装置的细胞培养基可包含如国际申请公开号WO2003/048313、WO2006/004728、WO2005/065341、WO2002/077202、WO2010/096588、WO2005/095582和WO1998015614中所述的细胞培养基的一种或多种成分，在此以引用的方式将其内容并入本文。
[0217] 培养基可以包含一种或多种分化剂。本文所使用的术语“分化剂”是指能够诱导干细胞或者未分化或部分分化的细胞分化为期望状态的分子和/或组合物。当使用干细胞或者未分化或部分分化的细胞时，这是非常有用的。
[0218] 微环境相关的参数：除了细胞相关和培养基相关的参数以外，可以对一个或多个微环境相关的参数(例如，空气和/或细胞培养基的流速、气-液界面的存在或缺失、机械诱因、膜的表面特性以及中通道和/或微通道的尺寸)进行调控，以达到本文所述的任何生理终点。
[0219] 具有生理学相关尺寸的中通道和/或微通道的装置可用于提供模拟的组织微环境，其可以至少部分地对细胞发育进行调控，以达到本文所定义的各种生理终点。例如，更高的中通道可以为需要低剪切力和/或更多的空间以形成复层结构的细胞的生长和/或分化提供减小的压力环境和增加的上部空间。在一个实施方式中，可以使用更高的中通道以允许提供足够的上部空间，用于使气道上皮细胞生长和分化为纤毛和黏液分泌细胞。
[0220] 在一些实施方式中，可以在本文所述装置中建立气-液界面，以模仿组织特异性细胞的天然组织微环境、和/或诱导组织特异性细胞的分化和/或成熟。本文所使用的术语“气-液界面”是指其中具有空气，同时保留具有液态流体(例如细胞培养基和/或血液)的通道的中通道和微通道中的一个。在“空气”通道中实质上不存在液态流体。然而，存在于面向“空气”通道的膜上的细胞可以分泌类液态物质(例如黏液)，和/或少量液态流体可以通过膜从“液体”通道渗透至“空气“通道。在一些实施方式中，术语“气-液界面”是指实质上不将液态流体引入至中通道和微通道中的一个，而是将液态流体引入至剩余的通道。在一个实施方式中，气-液界面是指在其中具有空气的中通道，而微通道具有液态流体，例如细胞培养基和/或血液。换句话说，实质上不将液态流体引入中通道，而将液态流体引入微通道。例如，可以在本文所述装置中建立气-液界面，以诱导气道上皮细胞(如下所述)或皮肤细胞的分化或成熟。在其它实施方式中，一些组织特异性细胞(例如心脏细胞、肝细胞和/或消化道细胞)的天然微环境可能不需要气-液界面。在这些实施方式中，液态流体(例如细胞培养基)可同时存在于中通道和微通道中。
[0221] 可以将空气和/或培养基作为静态流体(其可被定期替换)或连续(动态)流引入至装置中的适当通道(例如中通道和微通道)中。在中通道和/或微通道中的空气和/或培养基的流动速率可以被独立地调整，以反映对组织特异性条件或状态(例如休眠状态vs激活状态，例如在运动期间；或者正常健康状态vs疾病特异性状态)具有特异性的生理数值。例如，可以对气流的体积速率进行控制，以提供约0dyne/cm2至约2000dyne/cm2、或0.1dyne/cm2至约2000dyne/cm2的流体剪切应力。在一些实施方式中，装置用于模仿通过气道和/或肺的呼吸，可以对通过中通道的气流进行调整，以具有每次呼吸约1μL至每次呼吸约50mL、或每次呼吸约5μL至每次呼吸约25mL、或每次呼吸约10μL至每次呼吸约10mL、或每次呼吸约25μL至每次呼吸约1mL的速率。本文涉及装置时所使用的术语“呼吸”是指引入中通道内以模仿肺中吸气和呼气的气流。气流体积和/或节律可以根据待模仿的肺的状态而变化。例如，在运动过程中刺激肺中的气流时、例如跑步时，在单位时间和每次呼吸中进入肺和排出肺的空气的体积可增加。
[0222] 可以对培养基流速进行控制，以模拟对应于组织特异性条件或状态(例如休眠状态vs激活状态，例如在运动期间；或者正常健康状态vs疾病特异性状态)的血液流速。在一些实施方式中，所提供的培养基流速范围可以为约0μL/h至约50mL/h。
[0223] 在一些实施方式中，将细胞暴露于在其天然组织微环境中的机械应力或应变(例如由与呼吸、蠕动或心脏跳动相关的运动产生的应变)，存在于膜上的细胞可以经受所模拟的机械应变，用于预先确定的生理终点的发展。可以通过调节膜的运动来产生所模拟的机械应变，所述运动可以平行于和/或垂直于施加至膜上的力/压力，包括但不限于拉伸、弯曲、压缩、振动、收缩、波动或它们的任意组合。仅以举例的方式，在肺泡中，当在吸气过程中空气填充满肺泡时，肺泡细胞经历了拉伸；但在呼气过程中，肺泡细胞恢复到原始状态或松弛状态，以排出富二氧化碳的空气。另一个实例是，食道细胞或肠细胞分别受到由在食道中或肠中发生的蠕动波所产生的机械应力或应变。在心脏中，心房和心室共同作用，交替地收缩和松弛来通过心脏泵送血液。为了模拟由与呼吸、蠕动或心脏跳动相关的运动产生的生理应变，在一个实施方式中，可以例如通过气动机构，基于如图2D所示的在中央通道230和操作通道252之间施加压力差对膜进行调控，以使其沿平面拉伸和释放，从而向细胞(例如肺泡细胞、食道细胞、肠细胞、心房心肌细胞和心室心肌细胞)提供模拟的机械诱因，如同它们存在在天然组织微环境中那样。
[0224] 在一些实施方式中，可以使用细胞粘附分子和/或细胞外基质分子对膜进行处理或涂覆，以促进预先确定的生理终点的发展。细胞粘附分子和/或细胞外基质分子的实例包括但不限于纤连蛋白、层粘连蛋白、各种胶原蛋白类型、糖蛋白、玻连蛋白、弹性蛋白、纤维蛋白、蛋白聚糖、硫酸肝素、硫酸软骨素、硫酸角质素、透明质酸、整合素-结合肽(例如Arg-Gly-Asp(RGD)肽)或它们的任意组合。
[0225] 仅以举例的方式，利用本文所述装置达到人上皮细胞(例如人原代气道上皮细胞)的分化或成熟状态，一种方法(例如图5A所示)包括将人细胞或人原代细胞(例如人原代气道或支气管上皮细胞)接种在顶部中通道(或“气道内腔”通道)内的膜上。通过使培养基同时流经中通道和微通道，在浸没条件下对细胞进行培养。在一些实施方式中，细胞在浸没条件下培养直至细胞达到完整融汇。然后任选地，通过将培养基经中通道的出口排出而建立气-液界面。由于气-液界面可诱导某些细胞类型(例如气道上皮细胞)的分化，在装置中培养约3-4周或更长时间之后，细胞可在气-液界面处分化。静态气流一般足以诱导细胞的分化。虽然不是必需的，在一些实施方式中，在细胞分化期间，可以将动态气流引入中通道内，以改善分化的上皮细胞(例如分化的气道上皮细胞)的细胞功能。例如，动态气流可以改善分化的气道上皮细胞的纤毛跳动频率、黏液分泌、单层屏障功能(例如上皮层的渗透性)和/或表面蛋白表达。
[0226] 然而应该指出的是，根据细胞类型，气-液界面对于细胞分化而言并非总是必要的。在这些实施方式中，在细胞分化过程中可以将液态流体维持在中通道内。例如，肠上皮细胞无需气-液界面来进行绒毛分化。
[0227] 在一些实施方式中，流经微通道的液态流体(例如细胞生长培养基)可包含至少一种分化诱导剂，包括例如至少两种、至少三种、至少四种、至少五种分化诱导剂。
[0228] 在一些实施方式中，细胞可能需要暴露于机械应变，以达到分化或成熟状态。例如，通过使膜伸展和/或缩回，可以将在中通道内的细胞暴露于机械周期性应变中(例如，在约0Hz至约1Hz、或约0.01Hz至约1Hz的频率下，约0.1％至约50％、或约1％至约30％、或约10％至约25％的应变)。在一个实施方式中，可以将在中通道内的肠上皮细胞暴露于周期性应变(例如在约0.15Hz下，约10％的应变)。
[0229] 在一个实施方式中，在本文所述装置中的气道上皮细胞的分化包括上皮细胞的完全融汇、气-液界面诱导和支持细胞分化的细胞生长培养基。
[0230] 尽管先前已经报道了在transwell系统中气道上皮细胞分化的方法，但对于在微流控背景中分化原代人气道上皮细胞(例如人小气道上皮细胞)的技术和方法尚未存在。例如，简单地调换来自transwell培养的生长培养基的组成是不够的。例如，在具有如在transwell培养中使用的正常生长培养基的微流控背景中培养的小气道上皮细胞显示出鳞状表型(图17B)，这与体内的形态是不一样的。为此，本发明人惊奇地发现，增加生长培养基中视黄酸的浓度可以逆转鳞状表型，并恢复如在体内观察到的正常表型。在一个实施方式中，发明人发现例如使用本文所述的装置和方法，可以在装置的膜208上形成生理气道单元(例如小气道单元)。在将气道上皮细胞(例如小气道上皮细胞)暴露于本文所述装置中的气-液界面之后，细胞分化成例如通过免疫荧光显微术和/或扫描电子显微术检测(图5E-图5G和图7A-图7B)的终末分化的纤毛和黏液分泌(杯状)细胞的3-D结构。分化的细胞表现出纤毛跳动和黏液分泌(图5E-图5G和图7A-图7B)以及紧密的屏障功能(图5D和图7C)。可以在膜208上的分化气道上皮细胞(例如小气道上皮细胞)以及穿过中通道和微通道250A、250B之间的膜208而输送的离子和流体之间形成典型的连接结构。可使用紧密连接蛋白(例如ZO-1、TJP-1)的免疫组织化学检测，对膜208上分化的气道上皮细胞之间紧密连接的形成进行评估(参见图5D和图7C)。
[0231] 根据所选择的主体材料(至少装置主体与流体接触的部分)的性质和/或特性，需要相应地对细胞生长培养基的组成进行优化。例如，在使用PDMS制造装置主体的情况下，因为某些疏水性组分或因子可能在PDMS表面上被吸收，所以需要增加它们在细胞生长培养基中的浓度。在一个实施方式中，与所使用的其它材料相比，细胞生长培养基中的视黄酸增加例如高达直至200倍，以使得视黄酸对于上皮细胞而言具有足够的可获得性。
[0232] 生理终点的验证/质量控制测试：可以通过本领域技术人员已知的方法和试验对具有本文所定义的不同生理终点的细胞(例如前体细胞或者未分化细胞vs分化或成熟的细胞；或正常健康细胞vs疾病特异性细胞)进行鉴别。例如，可以基于以下各项对生理终点进行鉴别，但不限于此：细胞功能、从细胞中释放的分子、细胞形态、细胞代谢、已知与预先确定的生理终点相关的分子的表达水平或存在/缺失。可以对细胞进行“装置上(on-device)”分析(例如，在分析过程中细胞保留在中通道和/或微通道内)，或者可以移除一些细胞并进行“装置外(off-device)”分析(例如，将细胞从装置中移除用于随后的分析，该分析不在装置上进行)。
[0233] 在一些实施方式中，膜208可以从装置移除用于分析，例如免疫组织化学测定、免疫荧光显微术和/或扫描电子显微术。在其它实施方式中，可以使用芯片上测定方法(例如免疫组织化学测定和/或显微术)对膜208进行评估和分析。在一些实施方式中，例如在显微镜下，可以对包括膜在内的整个装置进行评估和分析。
[0234] 例如，如前面所述，与非分化的上皮细胞形成对比，分化的气道细胞通常形成纤毛细胞、杯状细胞(黏液分泌细胞)和紧密的上皮屏障，对于纤毛相关标记物(例如但不限于β-微管蛋白IV)、杯状细胞相关标记物(例如但不限于MU5AC)和/或紧密连接相关标记物(例如TJP-1和ZO-1)而言，可以例如通过将细胞染色，随后通过显微成像(图5D-图5E和图7A-图7C)，对于每个细胞的表型进行检测。替代性地或另外地，可以通过扫描电子显微术对纤毛跳动频率进行测定。还可以通过功能性试验对于分化上皮的屏障功能进行测定，例如，将荧光标记的大分子(例如菊粉-FITC)加入至流经中通道的流体中，然后在微通道中测定荧光标记的大分子的存在，其中，在微通道中没有可测定的荧光信号表明由分化的上皮形成了功能性屏障(图7D)。
[0235] 为了测定发炎状态，可以通过功能性试验、和/或细胞因子和/或趋化因子表达分析对炎症的细胞响应进行量化。例如，可以通过显微术、组织学，和/或使用例如荧光激活细胞分选机(FACS)通过追踪可检测标记物(例如荧光标记的免疫细胞)的运动，对来自微通道(“血管”通道)中静止流体或流动流体的免疫细胞(例如但不限于嗜中性粒细胞、单核细胞、淋巴细胞、树突细胞和未成熟的巨噬细胞)向中通道一侧的上皮和/或膜的附着和募集进行定量。替代性地或另外地，可以通过收集来自中通道和/或微通道的流出物和/或细胞，并且例如通过微阵列、ELISA、免疫荧光法、显微术和/或定量实时聚合酶链反应(PCR)对炎症相关的细胞因子和/或趋化因子进行检测，来进行细胞因子和/或趋化因子表达分析(包括分泌和/或细胞内分子)。
[0236] 可用于测定炎症的其它方法包括但不限于：例如通过显微术监测纤毛跳动的频率；例如通过粒子图像测速测量黏液清除速度；例如通过扫描电子显微术评估纤毛形态；和/或通过显微镜检查形态学和/或尖端分泌物来检测黏液产生细胞(杯状细胞)的存在。为了测量黏液清除速度，可以使用例如粒子图像测速，方案如下：可以将包含可检测小珠(例如约1μm至约3μm的荧光珠)的流体(例如细胞培养基)引入至纤毛细胞生长的中通道。在显微镜(例如荧光显微镜)下，可以对黏液纤毛转运(例如以速度和/或方向进行表征)进行监测和/或定量(例如基于一系列记录的图像或影片)。
[0237] 为了区分正常健康细胞与疾病(例如气道相关疾病或疾患)特异性细胞，本领域技术人员可以对疾病细胞与正常健康细胞的表型进行比较和对比，从而鉴别正常健康细胞与疾病细胞之间的区别特征。仅以举例的方式，在哮喘疾病模型中，与正常健康气道细胞相比，哮喘气道细胞可显示出以下表型中的至少一个(包括至少两个以上)：(i)黏液分泌高至少约10％以上；(ii)杯状细胞(杯状细胞化生)的比例高至少约10％以上；以及(iii)纤毛细胞的数目降低至少约5％以上。在一些实施方式中，与正常健康细胞相比，具有哮喘气道细胞的装置中可检测到一氧化氮增加。可以使用任何本领域公认的方法、例如ELISA、显微术、免疫荧光法和/或PCR，测定细胞的形态及其行为/响应。例如，可以通过ELISA、免疫荧光法和/或PCR对气道细胞的黏液分泌进行测定。
[0238] 在慢性阻塞性肺病(COPD)的疾病模型中，与正常健康气道细胞相比，COPD相关的气道细胞可显示出以下表型中的至少一个(包括至少两个以上)：(i)促炎性细胞因子/趋化因子(例如IL-8)的基础分泌高至少约10％以上；(ii)提高对病毒和/或细菌进犯的响应性，其包括例如至少一种促炎性细胞因子/趋化因子的合成和/或分泌快至少约10％以上；(iii)粘蛋白的基因表达(例如通过实时定量PCR测定)和/或粘蛋白分泌(例如通过ELISA测定)高至少约10％以上；以及(iv)纤毛细胞计数和/或纤毛跳动频率降低至少约5％。在一些实施方式中，COPD相关的气道细胞可显示出肺泡巨噬细胞的粘附性比正常健康细胞高至少约10％。例如，可以使包含肺泡巨噬细胞的流体流经中通道和/或微通道，然后例如通过显微术对附着于COPD细胞的肺泡巨噬细胞的数量进行测量。
[0239] 囊性纤维化(CF)的病因与在囊性纤维化跨膜传导调控(CFTR)蛋白中的至少一个或多个突变的存在至少部分相关，其可影响细胞膜中氯离子通道的运作。突变可以包括但不限于CFTR基因的置换、复制、缺失或缩短。这些突变可导致CFTR蛋白更低的表达水平、降解加速和/或功能障碍。参见例如Rowe,S.M.等，“Cystic Fibrosis”，N Engl J Med，2005，352：1992-2001。一些CFTR突变可以包括但不限于：(i)ΔF508，导致在蛋白质第508位点处的氨基酸苯丙氨酸(F)丢失的三个核苷酸的缺失(Δ)，导致了蛋白质的更快降解；(ii)G542X；(iii)G551D；(iv)N1303K；及(v)W1282X。因此在CF疾病模型中，与正常健康气道细胞相比，CF相关的气道细胞可显示出以下表型中的至少一个(包括至少两个以上)：(i)在如上所述囊性纤维化跨膜传导调控(CFTR)蛋白质中的至少一个或多个突变(在一个实施方式中，CFTR突变可以包括ΔF508)；(ii)黏液分泌和/或黏液厚度增加(其中，可以对黏液厚度进行测量，在一个实施方式中，通过透射电子显微术进行测量)；以及(iii)纤毛跳动频率降低，或在某些情况下，纤毛停止跳动(例如，归因于黏液越来越厚且越来越重)。可以对CFTR蛋白中的突变进行测定，例如：通过测序以鉴定单核苷酸多态性(SNP)；通过进行基因和/或转录物的表达分析以测定CFTR蛋白的表达降低；和/或通过测定在CF相关的气道细胞中细胞膜的氯离子通道的运作减弱。
[0240] 将气流引入至中通道：在一些实施方式中，中通道的一端可适于接合至气流调节装置，可以用来控制流经中通道的气体。在一些实施方式中，气流调节装置可适于提供定向气流或可以周期性地反转其方向的交替气流。例如，如图13A-图13D所示，中通道250A的至少一端或两端(例如1310和/或1312)可适于接合至气流调节装置1314。在一些实施方式中，中通道250A的出口1312适于接合至气流调节装置1314。气流调节装置1314可处于任何可逆充气腔室或可逆膨胀腔室的形式，其可以膨胀和收缩以分别接收和排出气态流体(例如但不限于空气)。气流调节装置还可以允许引入特定样品，例如污染的空气、香烟烟雾或空气传播的病毒。仅以举例的方式，气流调节装置1314可以处于气球(图13C)、鼓(图13D)或薄壁管的形式。如图13D所示的鼓包含柔性隔膜1315，其可向外移动(充气-远离流入方向)和向内移动(放气-朝向流入方向)，以分别累积和排出气态流体(例如空气)。
[0241] 在一些实施方式中，中通道250A的入口1310可适于接合至气流发生器1316，例如但不限于呼吸机。
[0242] 在一些实施方式中，本文所述的装置可用于模仿呼吸过程中交替的吸气气流和呼气气流，从而模仿例如静止状态、运动、应激或患病(例如患有呼吸系统疾病或困扰)过程中的呼吸模式和/或节率。例如，气流调节装置1314可以被配置为产生平均潮气量为约10μL至约5000μL、或约50μL至约2500μL、或约75μL至约1000μL、或约100μL至约500μL的交替的吸气气流和呼气气流。本文所使用的术语“潮气量”是指当不施加任何外部压力(例如模仿静止状态过程中的呼吸)时，吸气和呼气之间交换的空气体积。潮气量可以根据待模仿的肺的大小而变化，例如：新生儿vs成人；或者人vs大型动物(例如大象)。在一些实施方式中，气流调节装置1314可以被配置为产生下述交替的吸气气流和呼气气流，其中，吸气和呼气之间交换的体积大于或小于本文所定义的潮气量，例如用于模仿运动或生病过程中的呼吸。
[0243] 在一些实施方式中，气流调节装置1314可以被配置为产生呼吸频率或速率为约5次呼吸/分钟至约100次呼吸/分钟，或约10次呼吸/分钟至约50次呼吸/分钟的交替的吸气气流和呼气气流。
[0244] 图14A-图14B是示出了根据一个实施方式的装置中使用气流调节装置的呼吸模拟的实验数据。装置的中通道(“气道内腔”通道)的一端适于连接至例如小型动物呼吸机1316以及可以调节空气的压力和体积以产生气流的连接装置。空气从“气道内腔”通道的一端(即“嘴端1310”)流动至装置中-即“吸气流”。“气腔”通道的另一端(被称为“肺泡端1312”)适于连接至具有顺度和弹性的橡胶气球结构，以帮助迫使空气从装置排出-即“呼气气流”。可以就以下方式对气流/呼吸进行调节来模仿处于静止状态的人受试者的呼吸，在小气道水平下，以100μl的平均潮气量进行15×(吸气+呼气)循环；或者可以对气流/呼吸进行调节以适应不同的呼吸模式和/或潮气量。
[0245] 为了可视化并测量气体流或空气流的方向/速率，可以采用本领域公认的技术，例如粒子图像测速或微米级分辨率的粒子图像测速。例如，可以将荧光珠加入至“气道内腔”通道，即，在分化的上皮细胞(例如分化的气道上皮细胞)的顶部，并且可以用显微镜捕获荧光珠的运动。图14A是一组快照图像，其示出了在特定时间点时装置的“气道内腔”通道内荧光珠的运动。左图针对的是不接收气流的对照装置，并且示出了部分极化的珠的运动——即，一些珠子在一个方向，几个在相反的方向。右图针对的是接收气流约24小时的装置，并且示出了更为极化的珠子朝向“嘴端”的运动。这种设置可以例如用于测定粒子的纤毛清除率。仅以举例的方式，图14B是示出了在接收气流的装置(呼吸芯片)中具有比无气流的对照装置(未呼吸芯片)更高的纤毛清除率的柱状图。同样地，可以使用本文所述装置，来测定引入至中通道内的病原体、化合物和/或粒子的纤毛清除率。在一些实施方式中，可以用检测分子(例如荧光分子)对病原体、化合物和/或粒子进行标记，以便于可视化和/或追踪。
[0246] 共培养：本文所使用的术语“共培养”是指培养在本文所述装置中的两种以上不同的细胞类型。可以将不同的细胞类型培养在相同的通道(例如中通道或微通道)中，和/或培养在不同的通道中(例如，一种细胞类型培养在中通道内，另一种细胞类型培养在微通道中)。例如在一些实施方式中，为了重现体内微环境，在一些实施方式中，可以在膜208的面向微通道250B的另一侧培养血管相关的细胞，例如但不限于内皮细胞、成纤维细胞细胞、平滑肌细胞、周皮细胞或它们的任意组合。在一个实施方式中，如图8所示，在膜208的面向微通道250B的一侧培养内皮细胞。由于内皮细胞在免疫细胞募集和/或外渗中通常发挥显著作用，在膜的面向中通道250A的一面上的组织特异性上皮细胞(例如气道上皮细胞)与膜的面向微通道250B的另一面上的内皮细胞的共培养可以创建生理学相关模型，从而例如通过将免疫细胞(例如但不限于CD8+T细胞、淋巴细胞、单核细胞、嗜中性粒细胞)引入微通道，随后对附着至内皮细胞单层上的免疫细胞的数量进行测定，来进行免疫细胞募集试验。在一些实施方式中，内皮细胞也可以参与病毒感染过程中细胞因子/趋化因子的分泌。
[0247] 在一些实施方式中，膜208的面向微通道250B的一侧还可以包含平滑肌细胞和/或成纤维细胞。当在通道中存在多于一种细胞类型时，供应至通道的培养基可包含通常用于培养个体细胞类型的培养基的混合物。
[0248] 在一些实施方式中，肿瘤细胞可以在中通道内与正常上皮细胞共培养。
[0249] 在装置建立肠模型的一些实施方式中，肠上皮细胞可在中通道内与肠道微生物菌群共培养。
[0250] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于创建模仿组织特异性条件的体外模型。本文所使用的术语“组织特异性条件”是指可以在体内器官组织中被诊断的任何条件。该条件可以自然地发生在体内组织中(包括例如正常健康状态、或者由先天性缺陷诱导或引发的状态)，或者由条件诱导剂或刺激物(例如包括但不限于环境因素)诱导或引发而发生。组织特异性条件的实例包括但不限于：正常状态、疾病特异性状态、疾病前状态、疾病缓解状态、困扰状态、发炎状态、感染状态以及受激状态。在这些实施方式中，置于膜的面向中通道的表面上的组织特异性细胞可适于显示出与组织特异性条件相关的至少一个特征。例如，在一些实施方式中，患者特异性和疾病特异性上皮细胞和任选的结构细胞可以在膜的面向中通道膜的表面上培养并分化，从而例如建立慢性器官疾患的模型，所述慢性器官疾患例如慢性肺部疾病，例如但不限于慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘、囊性纤维化(CF)和纤维化病症(如结节病和特发性肺纤维化)。
[0251] 在一些实施方式中，疾病特异性细胞可获得自诊断患有特定疾病的一例或多例患者。例如，哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)和囊性纤维化(CF)相关的气道细胞可以分别获得自一例或多例哮喘、COPD和CF患者。
[0252] 在其它实施方式中，组织特异性细胞(例如正常组织特异性细胞)可以与本文所述的条件诱导剂接触，所述条件诱导剂能够诱导组织特异性细胞获得与组织特异性条件相关的至少一个特征。例如，可以通过生物和/或化学试剂(例如病原体、如流感病毒)建立肺部感染模型，和/或通过免疫刺激剂、例如聚肌苷:胞苷酸(通常缩写为聚(I:C))来建立肺部感染模型，包括细菌和/或病毒感染。在一个实施方式中，香烟烟雾可以用于刺激正常健康细胞，用于诱导慢性阻塞性肺病(COPD)的表型。在另一个实施方式中，通过在正常健康细胞中诱导炎症，例如通过暴露于本文所述的促炎剂，哮喘样细胞可以来源于正常健康细胞。促炎剂在下面的“细胞因子的其它实例”部分进行描述。在一些实施方式中，促炎剂可以是TNF-α。在一些实施方式中，可期望的是在正常细胞中诱导哮喘样表型(而不是使用从诊断患有哮喘的患者中收集的疾病细胞)，从而例如减少或消除不同哮喘供体之间的遗传变化性/异质性。
[0253] 本文所述的刺激物或条件诱导剂(例如但不限于烟雾粒子、病原体、诸如促炎剂的细胞因子和/或药物)可以通过扩散从微通道递送至细胞，和/或作为气溶胶或液体通过中通道。在芯片上可以产生分子或病原体的气溶胶，例如对本文所述装置进行改进，与在PCT申请流水号PCT/US12/37096和PCT/US13/36569中所述的体外气溶胶输送装置进行整合，在此通过引用将其内容并入本文。在一个实施方式中，如图21所示，可以将在PCT申请流水号PCT/US12/37096中所述的惯性冲击器2100置于装置主体的底部部分206，并以流体方式连接至装置主体的顶部部分204中的中通道。可以将接入端口2102置于装置主体的底部部分的侧表面上，并以流体方式连接至惯性冲击器2100。因此，可以将由气溶胶产生元件产生的气溶胶流经惯性冲击器2100而引入至接入端口2012，其中，气溶胶的较大液滴被捕获在惯性冲击器2100的壁面上(例如以防止阻塞中通道)，而气溶胶的较小液滴继续流入中通道。
[0254] 本文所使用的术语“免疫细胞”通常是指参与防御受试者同时抵抗传染疾病和外来杂物的免疫系统的休眠细胞和/或活化细胞。免疫细胞的实例包括但不限于：白血球，包括例如嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、淋巴细胞(例如B细胞、T细胞和天然杀伤细胞)、单核细胞、巨噬细胞(包括例如驻留的巨噬细胞、休眠的巨噬细胞和活化的巨噬细胞)；以及Kupffer细胞、组织细胞、树突细胞、Langerhans细胞、肥大细胞、小胶质细胞以及它们的任意组合。在一些实施方式中，免疫细胞包括衍生的免疫细胞，例如从淋巴干细胞和/或骨髓干细胞衍生的免疫细胞。
[0255] 在一些实施方式中，例如通过使一个或多个基因沉默、或使一个或多个基因过表达，可以通过对正常健康细胞进行遗传修饰来创建组织特异性条件、例如疾病特定状态。基因沉默的方法包括但不限于RNA干扰(例如但不限于小干扰RNA(siRNA)、微RNA(miRNA)和/或短发夹RNA(shRNA))、反义寡核苷酸、核酶、三链形成寡核苷酸等。仅以举例的方式，通过囊性纤维化跨膜传导调节蛋白(CFTR)基因的敲除或沉默，CF-相关的气道细胞可以衍生自正常健康细胞，其中，至少一个或多个突变的存在已知引起CF。例如，可以例如通过慢病毒系统将CFTR靶向的shRNA、siRNA、反义寡核苷酸、核酶和/或三链形成寡核苷酸引入至正常健康气道细胞(例如原代细胞)，用于使CFTR基因沉默，进而可以在正常的健康细胞中引起CF表型。
[0256] 在一些实施方式中，可以对本文所述装置的中通道内的气流节律单独进行调节，或与在微通道中流动的液体培养基组合进行调节，从而例如建立物理或化学的、或者有呼吸或无呼吸的急性肺损伤(例如吸入酸/碱、或呼吸机引起的损伤)模型。
[0257] 在一些实施方式中，其中，本文所述装置用于创建疾病特异性模型，该装置还可以包含在单独的中央通道中培养的正常健康细胞(例如，获得自一个或多个健康供体)，从而例如创建用于比较的基准。
[0258] 在一些实施方式中，装置可同时包含健康细胞和疾病特异性细胞。在一些实施方式中，装置可以仅包含疾病特异性细胞。
[0259] 仅以举例的方式，图11A-图11D示出了使用本文所述装置的一个实施方式建立细菌/病毒感染模型的能力。在气道上皮细胞分化成纤毛和黏液分泌(杯状)细胞后，可以用病原体(例如细菌、真菌和/或病毒)和/或它们相关的刺激物(例如toll样受体3(TLR-3)配体聚(I:C)、或促炎剂(例如但不限于TNF-α))对分化的细胞进行激发，以诱发炎症。将包含本文所述免疫细胞(例如但不限于人单核细胞)的流体以静态流体或流动流体状态引入“血管”通道，以测定促炎剂诱导的炎症对于下述方面的作用：分化细胞的细胞因子/趋化因子谱和/或本文所述免疫细胞(例如但不限于单核细胞和/或嗜中性粒细胞)的募集。图11B示出了TLR-3活化(类似流感的情况)通过在装置中的分化的气道上皮细胞刺激趋化因子(例如单核细胞化学引诱物和嗜中性粒细胞化学引诱物)的释放。可以通过从出口收集离开中通道和/或微通道的小份流体，然后进行细胞因子/趋化因子的表达分析，对分泌至流经中通道和/或微通道的流体中的细胞因子或趋化因子进行测量。图11C示出了TLR-3刺激促进了单核细胞附着至分化的上皮细胞。图11D示出了用TLR-3配体聚(I:C)进行刺激后，分化的上皮细胞显著增加了IP-10的上皮细胞基因表达。
[0260] 在一些实施方式中，肿瘤细胞可以与组织特异性上皮细胞共培养在膜的面向中通道的表面上，从而例如研究组织特异性癌的转移。在一个实施方式中，可以通过研究肺上皮细胞中肿瘤细胞的转移来建立肺癌模型。
[0261] 在一些实施方式中，可以通过将烟雾粒子流引入穿过中通道来建立吸烟的芯片肺，以研究烟雾对以下方面的作用：培养在膜的面向中通道的表面上的气道和/或肺上皮细胞(在膜的面向微通道的另一表面可排列有内皮细胞或没有内皮细胞)的功能和转化。
[0262] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立至少部分肠或消化道的模型，并诱导肠细胞经受三维(3D)肠绒毛的形态发生。例如，可以将人肠上皮细胞(例如与肠相关的上皮细胞，所述肠例如十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠和阑尾)培养在膜的面向中通道的表面上，在膜的面向微通道的另表一面上排列有内皮细胞或没有内皮细胞。通过将培养的细胞暴露于由伸展和缩回膜产生的生理蠕动运动(例如，以约0.05Hz至约0.3Hz的频率下，约-25％至约20％)并使低剪切应力(例如0.02dyne cm )的液体在中通道内流动，肠细胞可生长成褶皱并形成管状凸起(绒毛)伸入中通道(这被建立为“肠腔”模型)，以重现三维结构。这些肠绒毛状结构的形成可以提供增加的模仿人肠道吸收效率的表面积，和/或增强的基于细胞色素P450 3A4亚型的药物代谢活性(Kim等，2012，Lab Chip，12：2165-2174；和Kim等，
2013，Integrative Biology，2013年6月26日首先在网上公布；DOI：10.1039/C3IB40126J)。
这些在受控的微流控环境中重现的人肠道功能特性可用于运输、吸收、和毒性研究、药物检验、以及开发肠疾病模型和筛选治疗剂。可以使用本文所述装置建模的肠疾病的实例包括但不限于炎性肠病、Crohn病、溃疡性结肠炎、乳糜泻、血管发育不良、阑尾炎、肠扭转、慢性功能性腹痛、腹腔疾病、结直肠癌、憩室病、子宫内膜异位、肠道病毒、肠胃炎、Hirschsprung病、回肠炎、肠易激综合征、息肉、伪膜性结肠炎或它们的任意组合。
2013，Integrative Biology，2013年6月26日首先在网上公布；DOI：10.1039/C3IB40126J)。
这些在受控的微流控环境中重现的人肠道功能特性可用于运输、吸收、和毒性研究、药物检验、以及开发肠疾病模型和筛选治疗剂。可以使用本文所述装置建模的肠疾病的实例包括但不限于炎性肠病、Crohn病、溃疡性结肠炎、乳糜泻、血管发育不良、阑尾炎、肠扭转、慢性功能性腹痛、腹腔疾病、结直肠癌、憩室病、子宫内膜异位、肠道病毒、肠胃炎、Hirschsprung病、回肠炎、肠易激综合征、息肉、伪膜性结肠炎或它们的任意组合。
[0263] 旨在用于口服给药的药物通常需要良好的生物利用度，以便在作用靶点部位达到治疗浓度。良好的生物利用率意味着药物的有效量能够达到全身循环。然而，经由口服途径的药物吸收可受到药物性质和/或胃肠道生理机能的影响，包括药物从剂型中的溶出、药物与水性环境和膜的相互作用方式、跨膜渗透以及被首过器官(例如肠、肝和肺)不可逆地除去(Martinez和Amidon，2002，J Clin Pharmacol，42：620-643)。特别是，多数药物吸收一般发生在小肠，其中，绒毛和微绒毛的存在显著地增加了吸收面积。因此，在一些实施方式中，建立如上所述肠绒毛结构功能模型的装置可用于评估测试试剂的肠道吸收、代谢和/或排泄，用于预期其生物利用度。在一些实施方式中，可将建立肠绒毛结构功能模型的装置以流体方式连接至对将要被测试试剂处理的目标组织进行模仿的另一装置。
[0264] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于测定测试试剂对膜的一个表面或两个表面上的细胞的作用。测试试剂的作用可以包括但不限于纤毛清除、绒毛吸收、细胞活力、细胞层的渗透性、细胞形态、蛋白质表达、基因表达、细胞粘附作用、免疫细胞的粘附性、细胞分化、细胞因子或趋化因子生成、炎症或它们的任意组合。
[0265] 根据本发明的一些实施方式，本文所述装置可用于测定测试试剂对暴露至该测试试剂的膜的一个表面或两个表面上的细胞的效力。例如，在暴露至测试试剂之后，可通过测量存在于装置内的流体(例如气态和/或液态流体)中或存在于从装置排出的流体(例如气态和/或液态流体)中的至少一种组分和/或细胞的响应，来测定测试试剂的效力。本文所使用的术语“效力”通常是指测试试剂产生所期望的效果或结果的能力。根据测试试剂的性质和/或类型，所期望的效果或结果的实例包括但不限于治疗效果、细胞毒性、细胞生长、细胞分化、提高或降低细胞功能或表型(例如但不限于纤毛清除、细胞层的渗透性、细胞迁移、可以被暴露至测试试剂的细胞影响的蛋白质或细胞因子的表达和/或分泌)以及它们的任意组合。本文所使用的术语“治疗效果”是指治疗的结果，其结果被判定为期望的和有益的。
[0266] 根据本发明的一些实施方式，本文所述装置可用于测定测试试剂对暴露至该测试试剂的膜的一个表面或两个表面上的细胞的毒性。例如，在暴露至测试试剂之后，可通过测量存在于装置内的流体(例如气态和/或液态流体)中或存在于从装置排出的流体(例如气态和/或液态流体)中的至少一种组分和/或细胞的响应，来测定测试试剂的毒性。本文所使用的术语“毒性”是指测试试剂诱导或引起细胞的任何不利作用和/或副作用、和/或甚至细胞死亡的能力。例如，测试试剂的毒性可以通过其诱导或引起细胞功能和/或表型的不利作用的能力来表征，包括但不限于改变细胞代谢、诱变性、致癌性、致畸性、DNA损伤、蛋白质或膜损伤、细胞能量耗竭、线粒体损伤、遗传毒性、细胞凋亡、细胞死亡、细胞破裂以及它们的任意组合。
[0267] 根据本发明的一些实施方式，本文所述装置可用于测定暴露至测试试剂的膜的一个表面或两个表面上的细胞的作用机制。例如，在暴露至测试试剂之后，可通过测量存在于装置内的流体(例如气态和/或液态流体)中或存在于从装置排出的流体(例如气态和/或液态流体)中的至少一种组分和/或细胞的响应，来测定作用机制。本文所使用的术语“作用机制”通常是指试剂发挥其对细胞的生物效应的细胞通路或生物相互作用。例如，当试剂是药物物质时，作用机制可以指药物物质产生其药理作用的生物化学相互作用。根据测试试剂的性质和/或类型，作用机制可能与任何本领域公认的细胞通路或生物相互作用有关，例如包括但不限于蛋白质合成、细胞迁移、染色质调控/表观遗传学或乙酰化、MAPK信号、细胞凋亡、自噬、PI3K/Akt信号、翻译控制、细胞周期/检查点、JAK/Stat通路、NF-B信号、TGF-/Smad信号、淋巴细胞信号、血管生成、细胞骨架信号、细胞粘附、细胞代谢、细胞发育和/或分化、酪氨酸激酶/接合体、蛋白质稳定性、蛋白质折叠、核受体信号以及它们的任意组合。因此，在一些实施方式中，作用机制可涵盖测试试剂的效力和/或毒性的机制。
[0268] 根据本发明的一些实施方式，膜的面向中通道的表面上的组织特异性上皮细胞可以与测试试剂接触。可以将测试试剂作为气溶胶或液体通过中通道或“气道内腔”通道、和/或通过从微通道或“血管”通道扩散而递送至细胞。如前所述，可以在芯片上产生气溶胶(例如测试试剂的气溶胶)，例如对本文所述装置进行改进，从而与在PCT申请流水号PCT/US12/37096和PCT/US13/36569中所述的体外气溶胶输送装置进行整合，在此通过引用将其内容并入本文。
[0269] 可以将任何测试试剂引入本文所述的装置中，以测定其对细胞的作用。测试试剂的实例可包括但不限于蛋白质、肽、抗原、纳米粒子、环境毒素或污染物、香烟烟雾、化妆品中使用的化学品或粒子、小分子、药物或候选药物、疫苗或候选疫苗、气溶胶、炎性分子、天然存在的粒子(包括花粉)、化学武器、单链或双链核酸、病毒、细菌和单细胞生物体。
[0270] 可以通过测量在膜的至少一侧上的细胞对测试试剂的响应、离开第一子通道的气态流体、离开第二子通道的液态流体或者它们的任意组合，并将其与未接触测试试剂的细胞的响应进行比较，来测定测试试剂对细胞的作用。测量细胞响应的各种方法在本领域中是已知的，包括但不限于细胞标记、免疫染色、光学或显微成像(例如免疫荧光显微术和/或扫描电子显微术)、光谱法、基因表达分析、细胞因子/趋化因子分泌分析、代谢物分析、聚合酶链反应(PCR)、免疫试验、ELISA、基因阵列、光谱法、免疫染色、电化学检测、多核苷酸检测、荧光各向异性、荧光共振能量转移、电子转移、酶测定、磁性、导电性(例如跨上皮电阻(TEER))、等电聚焦、色谱法、免疫沉淀、免疫分离、适体结合、过滤、电泳、使用CCD照相机、质谱或它们的任意组合。可以基于特定细胞类型的特征尺寸、形状和折射特性使用相衬成像的光学显微术和/或荧光显微术进行检测、例如细胞检测。使用对于个体细胞类型或微生物具有特异性的荧光或细胞化学染色的光学成像可获得更高的特异性。
[0271] 在一些实施方式中，可以对经“血管”通道引入至内皮或膜上的免疫细胞的粘附进行测量，以测定测试试剂对免疫响应的作用。
[0272] 在一些实施方式中，待试验的组织特异性细胞适于具有条件特异性(例如疾病特异性)，将组织特异性细胞暴露至测试试剂，随后测定测试试剂对细胞的作用，可促进用于治疗病症的治疗剂的鉴别。例如，图12A-图12D示出了在根据实施方式的装置中，对感染过程中不同试剂对分化的气道上皮细胞和任选的免疫细胞的作用进行评价的示例性方法以及由此产生的实验数据。图12A是示出在装置中模拟感染的过程中，对不同试剂的作用进行评估的示例性方法的示意图。将来源于慢性阻塞性肺病(COPD)的患者的原代人上皮细胞接种在中通道(“气道内腔”通道)的膜上，用于按照图5A所述的分化方法，分化成纤毛和/或黏液分泌细胞。基于COPD上皮细胞的分化，可以在膜的另一表面(面向微通道，“血管”通道)接种或不接种血管内皮细胞。用基础培养基对装置中的细胞任选地进行饥饿处理，随后用不同的测试试剂(例如作为对照的DMSO、布地奈德、以及从制药公司获得的BRD4抑制剂化合物1和2)进行处理。试剂可从“血管”通道通过扩散输送至分化的上皮细胞。然后，使用TLR-3配体聚(I:C)对预处理的分化COPD上皮细胞进行激发(例如，约10μg/mL作为气溶胶或液体输送，流入中通道)，以刺激TLR-3并模仿病毒感染。从分化COPD上皮细胞中分泌的细胞因子和趋化因子在“血管”通道的流通中进行定量，和/或从“气道内腔”通道的顶洗(apical wash)中进行定量。在一些实施方式中，将包含免疫细胞(例如人单核细胞)的流体以静态流体或流动流体形式引入“血管”通道，以测定TLR-3诱导的炎症对免疫细胞(例如单核细胞和/或嗜中性粒细胞)募集的作用。图12B示出了分化的COPD上皮细胞(在暴露至TLR-3配体聚(I:
C)之前用各种试剂进行预处理)产生并释放至“血管”通道的典型细胞因子和趋化因子(例如单核细胞化学引诱物和嗜中性粒细胞化学引诱物)，这表明，在降低响应于模拟病毒感染的细胞因子/趋化因子分泌方面，化合物2比化合物1更强效。此外，图12F示出了化合物2在减少嗜中性粒细胞粘附方面更强效，而化合物1没有这样的作用，这样的结果与针对化合物
2在降低炎症效力方面的制药公司内部数据是一致的，并且验证了针对化合物2在降低炎症效力方面的制药公司内部数据。因此，本文所述的装置和方法可用于筛选药物。
C)之前用各种试剂进行预处理)产生并释放至“血管”通道的典型细胞因子和趋化因子(例如单核细胞化学引诱物和嗜中性粒细胞化学引诱物)，这表明，在降低响应于模拟病毒感染的细胞因子/趋化因子分泌方面，化合物2比化合物1更强效。此外，图12F示出了化合物2在减少嗜中性粒细胞粘附方面更强效，而化合物1没有这样的作用，这样的结果与针对化合物
2在降低炎症效力方面的制药公司内部数据是一致的，并且验证了针对化合物2在降低炎症效力方面的制药公司内部数据。因此，本文所述的装置和方法可用于筛选药物。
[0273] 在一些实施方式中，组织特异性细胞是患者特异性的，将患者特异性细胞暴露于测试试剂，随后对测试试剂对细胞的作用进行测定，可以促进对受试者个性化治疗的鉴别。
[0274] 在一些实施方式中，组织特异性细胞是患者群体特异性的，将患者群体特异性细胞暴露于测试试剂，随后检测测试试剂对细胞的作用，可以促进对特定患者群体具有特异性的治疗的鉴别。本文所使用的术语“患者群体特异性”是指收集自共同具有至少一个或多个表型和/或特征(例如但不限于特异性基因突变、种族、性别、生活方式、BMI、对治疗的抗性以及它们的任意组合)、而非疾病或病症的患者群体的细胞。
[0275] 在一些实施方式中，本文所述的一个或多个装置可以与药代动力学(PK)模型、药效学(PD)模型或PK-PD模型结合使用，以对于待测试的试剂的作用进行定量分析。例如，可以将一系列装置(每个装置建立组织模型，例如一个用于消化道、一个用于肝、另一个用于心脏)连接，以提供可用于对给药至系统的试剂的结果(fate)进行测定的微生理系统。术语“药物动力学”根据本领域在本文中使用，并且是指试剂(例如药物)在身体中的作用的研究，例如药物作用的效果和持续时间、它们被身体吸收、分布、代谢和消除等的速率(例如，试剂(例如药物)经由特定剂量或治疗方案给药后，患者血清中试剂(例如药物)浓度的研究)。术语“药效学”根据本领域在本文中使用，并且是指对下述方面的研究：试剂(例如药物)对受试者身体、或者身体内或身体上的微生物(例如病毒)的生化作用和生理作用；以及药物浓度和效果之间的关系和药物作用机理(例如，经一个或多个治疗方案后，存在于患者血浆中的病原体(例如病毒)的研究)。PK-PD建模和分析的方法在本领域中是已知的。参见例如：Bonate，P.L(2006)，Pharmacokinetic-Pharmacodynamic Modeling and Simulation，New York，Springer Science&Business Media；Gabrielsson,J.和D.Weiner(2000)；以及Pharmacokinetic and Pharmacodynamic Data Analysis:Concepts and Applications，Stockholm，Swedish Pharmaceutical Press。例如，可以开发PK模型以建立包含多个本文所述装置的微生理系统模型，其中，每个装置可建立能够对于待给药的试剂产生作用(例如吸收、代谢、分布和/或排泄)的不同组织的模型。为了构建用于本文所述装置的PK模型，可以对每个中通道和微通道建立描述试剂流进、流出和代谢的质量平衡方程。可以将PD模型整合至本文所述的每个装置中，描述了在模仿组织或器官的各装置中潜在细胞应答(例如炎症、细胞因子释放、配体结合、细胞膜破裂、细胞突变和/或细胞死亡)的动力学。将本文所述的一个或多个装置与整合的PK-PD建模方法相结合的这种体外/硅片系统可以用于以比传统的体外系统更加逼真的方式来预测药物毒性。在一些实施方式中，本文所述的一个或多个装置可用于对一个或多个物理-化学参数、药代动力学参数和/或药效学参数进行量化、估算或测量。各种物理-化学参数、药代动力学参数和/或药效学参数在本领域中是已知的，包括例如在上述参考文献中所讨论的参数。示例性的物理-化学参数、药代动力学参数和/或药效学参数包括但不限于渗透性、logP、logD、体积分布、清除(包括固有的清除)、吸收率、代谢率、交换速率、分布比率和性质、排泄率、IC50和结合系数等。
[0276] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于目标鉴别/验证。例如，本文所述装置可用于模仿本文所述的组织特异性条件(例如疾病或病症)，以阐明疾病或病症的分子机制，鉴别候选目标分子以及评估所述目标分子。在一些实施方式中，在本文所述装置中使用一般修饰的细胞(例如通过使特定基因沉默或过表达)可用于鉴别特定疾病的目标分子。一旦鉴别出经证实的目标分子(例如配体、受体、转录因子和/或酶)(在本文中也称为靶)，可以对针对目标(例如抑制或活化)的候选药物进行测试。可以将候选药物引入至本文所述装置的疾病特异性细胞，并且可以对响应于候选药物的细胞进行测量，以验证所鉴别的目标。这还可以促进用于特定疾病或病症的药物发现。在许多情况下，这样的候选药物可以是包含合成和/或天然化合物的化合物库中的成员。还可以使用组合库。
[0277] 类似地，本文所述装置可用于模仿在临床试验过程中药物失败的生理环境。因此，可以对药物的作用机制进行研究，以促进新的药物靶标的鉴别。
[0278] 在一些实施方式中，本文所述装置可与动物细胞(例如但不限于猪细胞、兔细胞、狗细胞、小鼠细胞和/或大鼠细胞)一起培养，以确定动物细胞对引入至本文所述装置中的试剂的响应。然后，可以将在装置中所测量的动物细胞的响应与当将试剂给予活体动物(例如猪、兔、狗、小鼠和/或大鼠)时在体内实际发生的响应加以关联。通过鉴别一个或多个动物模型中体内响应和体外响应之间的关联，可以根据在装置中所测量的人细胞对试剂的响应，来外推或预测试剂对人受试者的体内作用。另外地或替代性地，可以相应地确定用于人受试者的试剂的治疗剂量。
[0279] 在一些实施方式中，如图15所示，通过“气道内腔”通道所模拟的呼吸以及连接至两个以上的本文所述装置(例如以串联和/或并联方式)的能力的组合可以允许研究来自“病原体感染”装置的空气传播的病原体(例如但不限于病毒、细菌、呼吸合胞病毒、流感病毒或结核分枝杆菌(MTB))如何感染一个或多个“未感染”装置。在这些实施方式中，包含病原体感染的上皮细胞的第一装置可适于连接(例如以串联和/或并联方式)至包含未感染的细胞的至少一个第二装置。可以对两个装置之间的距离进行调整，以模拟两个受试者之间的接触的接近程度和/或控制两个受试者之间空气传播病原体的传播速率。
[0280] 在一些实施方式中，病原体感染的上皮细胞可以获得自一个或多个受感染的受试者。在一些实施方式中，未感染细胞可以获得自一个或多个正常健康受试者和/或患有疾病或病症(例如呼吸系统疾病)的受试者。然后，可以将气流从第一装置的“气道内腔”中通道导向至第二装置的“气道内腔”中通道。可以对暴露于来自第一装置的空气流的未感染的细胞(包括免疫细胞)以及受感染的细胞(包括免疫细胞)的响应进行测量，以测定空气传播的病原体的传播率。
[0281] 在一些实施方式中，如上所述的“空气传播病原体的传播”模型可用于评估病原体菌株(例如病毒菌株)的感染性或病毒性。例如，可以将至少两个以上(例如2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个以上)“未感染”装置串联和/或并联。在每个“未感染”装置中，膜的面向中通道的一个表面上可以包含肺相关的细胞(例如肺细胞、鼻细胞、气管细胞、气道细胞和/或支气管细胞)，而膜的另一个表面可以包含或不包含血管相关的细胞。然后，可以将待评估的病原体菌株引入至所连接的一个装置的中通道内。可在每个装置中对免疫细胞的募集和/或浸润进行测定，以确定所引入的病原体菌株的感染性或病毒性。通常，病毒感染可诱导免疫响应，其可以包括例如增加免疫细胞募集和/或浸润。
[0282] 在每个“未感染”装置中待感染的肺相关细胞或其它合适的组织特异性细胞可以收集自不同的受试者或者具有不同表型(不同点例如：年龄；性别；基因型；生活方式，例如吸烟、经常锻炼和饮食；以及疾病或病症)的受试者群体。例如，当它们暴露于病毒时，儿童和老年人一般更容易发生病毒感染，患有呼吸系统疾病的受试者(例如哮喘患者)可受到呼吸系统疾病的病毒发作的影响。因此，通过测量在各个所连接的装置中来自不同受试者群体的免疫细胞的响应，还可以鉴别病原体菌株的危险群体。
[0283] 在一些实施方式中，本文所述的“空气传播病原体的传播”模型可用于评估新型(即，在人中是新的)病毒菌株获得在人中易于传播和有效传播能力的风险。疾病控制和预防中心(CDC)目前用于测量由A型流感病毒构成的潜在流行性风险(流感风险评估工具见www.cdc.gov/flu/pandemic-resources/tools/risk-assessment.htm)的十大评价标准可作为指导方针，从而使用本文所述装置测定与新型病毒菌株的出现相关的潜在流行性风险。例如，可以将新型流感病毒引入至包含人细胞的“未感染人”装置中，以测定在装置之间直接和长期的“接触”或连接之后，人对人的传播是否会发生和/或传播发生的频率和容易程度。另外地或替代性地，可以将新型流感病毒引入至包含各种动物细胞的“未感染动物”装置中，以测定何种动物可以被流感病毒影响，因为人与一些动物接触的可能性可能更高(例如家禽vs野生鸟类)，这可能影响到流行风险。另外地或替代性地，可以将新型流感病毒引入至包含不同组织特异性细胞的“未感染”装置，以测定病毒更容易或易于感染何种类型的组织和/或细胞(例如鼻组织和细胞vs深部肺组织和细胞)。
[0284] 在一些实施方式中，如上所述的“空气传播病原体的传播”模型还可用于测定抗病原体试剂(例如抗病毒试剂)或疫苗对空气传播病原体的预防或治疗效力。例如对于预防剂或疫苗，可以将正常健康细胞预先暴露于感兴趣的疫苗或试剂，然后暴露于受到来自第一装置的空气传播病原体污染的气流。通过测量未感染细胞和任选的免疫细胞对空气传播病原体的响应，可以测定试剂或疫苗的效力(例如免疫原性)和/或安全性。类似地，对于治疗剂或疫苗(例如抗病毒疫苗)，可以在将来自第一装置的气流导向至包含未感染细胞的第二装置中之前，用感兴趣的疫苗或试剂对第一装置中的病原体感染的细胞进行处理。空气传播病原体的传播率的抑制或降低表明了治疗剂或疫苗的效力。
[0285] 下面将对使用本文所述装置的一个或多个实施方式用于开发疫苗(例如黏膜疫苗)的另外的实例进行详细说明。
[0286] 作为说明性实例，本文提供了本文所述装置在测定空气传播病原体的传播率、鉴别空气传播病原体的风险群体和/或开发针对空气传播病原体的试剂或疫苗中的用途。本领域技术人员将理解的是，本文所述“空气传播病原体的传播”模型可以容易地适于模仿受试者之间体液传播病原体(例如乙型肝炎、丙型肝炎和/或HIV/AIDS)的传播。例如，可以将来自“受感染”装置的液态流体液滴引入至“未感染”装置中的液态流体。可以对未感染的细胞(包括免疫细胞)在暴露于受感染的液态流体后的响应以及受感染的细胞(包括免疫细胞)的响应进行测量，以测定体液传播病原体的传播率，所述体液传播病原体例如可通过血液、精液、阴道分泌物、脑脊液、滑液、胸膜液、心包液、腹膜液、羊水、唾液或它们的任意组合来传播的病原体。
[0287] 在一些实施方式中，可以对荧光标记的大分子的排出(例如不同重量的葡聚糖或FITC)进行定量，以测定膜的渗透性，并由此评估上皮例如在组织特异性条件(例如但不限于COPD、哮喘和吸烟)下的屏障功能。例如，使含有荧光标记的大分子(例如但不限于菊粉-FITC)的流体流动至培养有分化上皮的中通道内，可以提供非侵入性屏障测量。由于功能性的紧密连接屏障将阻止大分子从中通道穿过上皮到达微通道，因此在微通道中未检出荧光标记的大分子表明了上皮的功能性屏障功能。
[0288] 此外，组织学、生物化学、微荧光学和/或功能性技术可以用来证明在膜208上形成了使其体内对应物的关键结构组织得以重现的功能性气道内皮。
[0289] 在实例中，可以通过将不同的流体(各自具有自己的氧分压和血液)分别注入中通道和微通道250A、250B，从而使中通道250A充当“气管内腔”区室，微通道250B充当“微血管”或“血管”区室，对膜208上自组装的组织-组织界面的气体交换功能进行测定。使用优选处于装置200内的血液-气体测量装置测量血液穿过装置前后在各个区段250A、250B中的血氧水平。例如，血液可流经通道250B，同时将空气注入上部通道250A，从而收集并测量离开的空气，使用血氧计测定氧气水平。可以将血氧计与现有的系统整合，或作为单独的单元连接至一个或多个中央子通道的出口端口。在一个实施方式中，可以使具有含有药物或粒子的气溶胶的空气或其它介质流经装置，然后对这些药物或粒子在“微血管”微通道中流动的流体(例如血液、培养基)经过膜的传输进行测量。在一些实施方式中，可以将病原体或细胞因子加入至空气或气态介质一侧，然后可以对以下方面进行测量：微血管微通道中引入的免疫细胞粘附至邻近毛细血管内皮、以及它们随水肿液从血液侧通至气道侧，以及病原体进入血液。
[0290] 由于上皮的功能性需要组成细胞的极化，使用透射电子显微术、免疫组织细胞化学、共焦显微术或其它适当的手段来监测膜208的气道上皮细胞一侧的极化，可以将膜的结构可视化。在气道模仿实施方式中，可以将荧光染料施加至中通道和微通道250A、250B，以测定膜208处由气道上皮产生的肺表面活性物质。特别地，通过测量由细胞摄取荧光染料(特异性标记了肺表面活性物质、例如奎纳克林的细胞内储存)导致的荧光或使用特异性抗体，可以对膜208上的气道上皮细胞进行监测。
[0291] 装置200的独特能力之一允许开发模拟气道或支气管在器官或组织水平的炎症响应的体外模型，以允许研究免疫细胞如何从血液中通过内皮迁移至气道区室。实现这一点的一种方式可以是：将本文所述的促炎剂(例如但不限于IL-1β、TNF-α、IL-8、二氧化硅微粒子和纳米粒子、病原体)以受控和可编程的方式微流控输送至中通道250A中的分化气道上皮细胞以及在微通道250B中的含有本文所述循环或静态免疫细胞(例如，诸如嗜中性粒细胞的白血球、以及单核细胞)的培养基或人全血流。可以对穿过膜的电阻和短路电流进行监测，以研究在炎症响应过程中细胞进入气道空间的路径、流体的外渗以及血管通透性的改变。可以使用显微成像(例如荧光显微术)，将外渗响应过程中动态细胞能动行为可视化。
[0292] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于开发黏膜免疫平台，从而例如研究免疫细胞募集、成熟和活化、细胞杀伤和排液(例如图16所示)。黏膜免疫是保护性免疫的一种形式，其作用在胃肠道和/或呼吸道的黏膜表面，防止所摄取和吸入的微生物发生定殖。存在黏膜相关的淋巴组织(MALT)、如扁桃体和淋巴集结(Peyer's Patches)，其作用是预防感染。黏膜层通常内衬有上皮屏障或由上皮屏障保护。该上皮层作为抵御微生物的第一道防线。如果微生物破坏了上皮层，则黏膜组织为免疫活性的位点。当上皮细胞检测到危险微生物组分(例如病原体相关分子模式)的存在时，它们向底层黏膜细胞(例如巨噬细胞和树突状细胞)发送细胞因子和趋化因子信号，以引发免疫响应。上皮细胞能够调控这些响应，从而使得正常菌群不激活导致黏膜发炎的不期望的响应。因此，在一些实施方式中，为了开发黏膜免疫模型，可以用胃肠道或呼吸上皮细胞涂覆膜的面向中通道的表面，以模仿胃肠道或气道的一部分，同时用黏膜细胞或免疫细胞(例如巨噬细胞和树突状细胞)涂覆膜的面向微通道的另一表面。
[0293] 在一些实施方式中，黏膜免疫模型可用于开发黏膜疫苗(例如针对链球菌的黏膜疫苗)和/或优化疫苗剂量。上皮层的调控已成为黏膜疫苗剂量的挑战。例如，如果黏膜疫苗的浓度不够高，则黏膜免疫力将不会将它识别为威胁，并且不会发展为免疫力。由于疫苗能在黏膜分泌物中稀释、在黏液中捕获、被蛋白酶和核酸酶攻击，并且可以通过上皮屏障排出，寻找正确的浓度一直是种挑战并且难以测量。使用本文所述装置的一个或多个实施方式中发开的黏膜免疫模型，可以将上皮细胞或分化的上皮细胞预先暴露于不同的疫苗试验候选物和/或其不同的剂量下，然后用本来作为疫苗目标的微生物进行激发。通过测量上皮细胞和/或免疫细胞对微生物的响应，可以测定疫苗测试候选物的效力(例如免疫原性)、安全性和/或最佳剂量。
[0294] 根据疫苗的给药途径(例如但不限于鼻内、口服、肌内、皮下或真皮内)，用不同的细胞类型涂覆本文所述装置的膜，以模仿疫苗发挥作用的微环境。例如，如上所述，可以用呼吸上皮细胞对膜进行涂覆，用于开发鼻内疫苗；或者用胃肠道的上皮细胞对膜进行涂覆，用于开发口服疫苗。
[0295] 如上所讨论的，在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立传染性疾病的模型，以测定传染性病原体的传播和/或鉴别用于治疗和/或预防性治疗有效的试剂(例如药物分子和/或疫苗)。可以使用各种方法检测本文所述装置中感染的存在或不存在。例如，当使用荧光标记(例如GFP-表达)的病原体(例如病毒或细菌)时，可以直接随时间跟踪被荧光标记的病原体感染的正常健康细胞，或者通过荧光显微术进行实时跟踪。替代性地或另外地，可以对疑似感染的细胞在病毒/细菌蛋白质方面进行免疫染色，并通过免疫荧光进行检测。在一些实施方式中，病毒或细菌可以对受感染的细胞产生细胞病变作用、例如对被感染细胞的上皮造成损伤，可以在光学显微术或荧光显微术下随时间检查疑似感染的细胞上皮的完整性。
[0296] 可用于检测本文所述装置中存在或不存在感染的其它方法可以包括例如但不限于对病原体(例如病毒)复制进行量化，例如，可以通过收集来自中通道的疑似感染的细胞的流出物(称为“顶洗”，例如使用细胞培养基)和/或来自微通道的流出物(称为“基础培养基”)，然后使用噬菌斑测试在顶洗和/或基础培养基中对病原体随时间的生长进行滴定，来进行测量。替代性地或另外地，可以通过对收集自中通道和/或微通道的流出物进行分析，来测定由疑似感染的细胞分泌的细胞因子/趋化因子。相比于未感染的细胞，在具有感染的细胞的装置中，一些细胞因子/趋化因子(如CXCL10或IL-8)可显著升高。在一些实施方式中，可以在培养物感染后使细胞抗病毒蛋白质(例如MX蛋白质)上调，可以对在疑似感染的细胞中的细胞抗病毒蛋白质(例如MX蛋白质)进行染色，用于免疫荧光测定。在一些实施方式中，可以在疑似感染的细胞上对已知在病原体(例如病毒/细菌)感染(相比于未感染的细胞)后上调的至少一种或多种基因进行表达分析，例如通过微阵列和/或定量实时聚合酶链式反应(qRT-PCR)来进行。
[0297] 不希望受到限制，在其它实施方式中，装置200还可以用于检查纳米材料或微粒针对气道-组织界面如何表现。特别地，可以将纳米材料(例如二氧化硅纳米粒子、超顺磁性纳米粒子、金纳米粒子、单壁碳纳米管)施加至膜208的气道表面，以考查纳米材料对生长在膜208上的气道或内皮细胞的潜在毒性作用，并对它们从气道通道进入血液通道进行考察。例如，传感器120可用于监测纳米材料透过在膜208上形成的组织屏障进行迁移、以及纳米材料诱导的屏障功能(例如气体交换和流体/离子输送)的变化。
[0298] 装置200允许进行气道/支气管生物学和生理学各种重要领域的直接分析，包括但不限于气体交换、流体/离子输送、炎症反应、感染(例如病毒或细菌感染)、水肿/呼吸窘迫综合征、癌症和转移发展、真菌感染、粒子的纤毛清除、上皮分化、细胞因子的产生、药物输送以及药物筛选、生物检测和肺机械传导。此外，装置200允许精确地建立见于其它生理系统中的生物组织-组织界面的模型，所述其它生理系统需要更高的通道高度以支持最佳细胞培养、形成复层结构和/或减少对细胞的剪切力，包括但不限于皮肤、肝脏、消化道、心脏、肠、脉络丛、胃肠道、肾小球和癌性肿瘤微环境。如上所述，多于一个的装置200可被复用和自动化，以提供细胞和组织响应于药物、化学品、微粒、毒素、病原体或其它环境刺激物的高通量分析，用于药物、毒素和疫苗筛选、以及毒理学和生物检测应用。该装置可用于体外研究复杂组织和器官的生理学，以及与生物相容性的或可生物降解的装置一起用于体内组织和器官工程学。
[0299] 在一个实施方式中，装置200可用于生产其中的人造组织层。在实施方式中，将两种以上不同类型的细胞施加至膜208的相对表面上，并在模仿适当生理环境的条件下生长。另外地或替代性地，可以在中央通道和至少一个操作通道之间施加压力差，使得通道壁移动，从而使膜208沿其平面经受膨胀/收缩。
[0300] 为了进一步证明本装置对在气道中整合的器官水平的响应进行重建的能力，可以开发更复杂的模型，其纳入了循环或静态血液传播免疫细胞，并重现了气道炎症的关键步骤。通常，气道中的炎症响应包括通过白细胞粘附分子的上调和随后的白细胞从肺微循环浸润至气道空间，实现上皮产生、早期响应细胞因子的释放、血管内皮激活的高度协调多步级联。为了模拟该过程，可以首先例如使用肿瘤坏死因子-α(TNF-α)(强效的促炎介体)对气道上皮的顶端表面进行刺激，并且可以例如通过测量细胞间粘附分子-1(ICAM-1)的表达对内皮活化进行检查。响应于气道组织的TNF-α刺激，在膜的相对一侧上的内皮细胞一般可以增加它们表面的ICAM-1的表达。此外，激活的内皮可支持捕获和巩固在血管微通道中流动的人嗜中性粒细胞的粘附作用，其在缺乏细胞因子暴露的情况下不再粘附。用低剂量TNF-α处理上皮细胞可导致内皮的弱激活，这导致所捕获的嗜中性粒细胞在流动方向上连续滚动而不被遏止。然后，迁移的嗜中性粒细胞优选通过细胞旁连接移居至气道上皮的顶端表面上，并保留在上皮层(尽管存在流体流动和周期性拉伸)。这些连续事件可以复制从微血管到气道区室的嗜中性粒细胞募集的整个过程，这是气道炎症的标志。
[0301] 在另一个实例中，装置200利用了多孔膜208，从而气道或支气管上皮细胞生长在膜208的面向中通道250A的一侧，内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞和/或周皮细胞维持在膜208的面向微通道250B的另一侧。在装置200的运行过程中，这两个细胞层通过化学和分子诱因穿过膜208上的孔而彼此联通。可以对这种联通进行监测和分析，以了解细胞作为组织-组织界面在生理机械刺激下或不在生理机械刺激下如何发挥不同作用，并且将这种联通与作为单一组织类型以隔离方式生长在标准组织培养体系中的情况相比较。通过监测在细胞和组织的生理变化、以及化学品、分子、微粒和细胞穿过该组织-组织界面，获得了可用于生产更有效的药物或疗法的信息，以鉴别尚未知晓的毒性，并显著地缩短这些开发进程的时间表。特别地，细胞在这种受控环境中的行为允许研究人员研究在不能使用常规体外培养技术重现的上述系统中发生的各种生理现象。换言之，装置200的作用是在患者身体之外并在仍保留气道或支气管的关键生理功能和结构的可受控环境中创建可监测的人造血液或液体-空气屏障。应当指出的是，尽管以上针对模仿气道或支气管功能对装置进行了描述，但装置可以很容易地被构造成模仿其它生理系统，例如在含有活微生物种群的胃肠道中的蠕动和吸收、肾脏中的灌注和产尿、血脑屏障功能、机械变形对皮肤老化的作用、具有造血干细胞生态位(niche)的骨髓微血管等。
[0302] 在一些实施方式中，本文提供了根据实施方式的器官模仿装置，其包含由两个膜分隔开的三个以上平行通道。器官模仿装置可包含至少一个中通道250A和至少一个微通道250B。例如，在一个实施方式中，一个中通道250A可以位于两个微通道250B之间。在一些实施方式中，装置可进一步包含如本文所述的操作通道。整个中央通道包含位于沿各自平行的x-y平面的多个膜，其将中央通道分隔成三个不同的中央子通道(例如两个微通道和一个中通道)。该膜可以是可渗透的，并且是刚性的或柔性的。可以经由操作通道施加正压和/或负压介质，以创建压力差，从而使膜沿着它们各自的平行平面伸展和缩回。
[0303] 现在将对膜表面处理的细节以及在操作装置中可施加至膜和/或通过中通道250A和微通道250B施加的培养基的类型进行讨论。可以用例如各种细胞粘附促进物质或ECM蛋白等物质对膜(包括例如多孔膜)进行涂覆，所述细胞粘附促进物质或ECM蛋白例如纤连蛋白、层粘连蛋白、各种胶原类型、糖蛋白、玻连蛋白、弹性蛋白、纤维蛋白、蛋白聚糖、硫酸肝素、硫酸软骨素、硫酸角质素、透明质酸、丝蛋白、壳聚糖或它们的任意组合。通常，将一种或多种细胞粘附分子涂覆在膜208的一个表面上，而将另一种细胞粘附分子施加至膜208的相对表面上，或者用相同的细胞粘附分子对两个表面进行涂覆。在一些实施方式中，所述ECM(可以是由细胞、例如原代细胞或胚胎干细胞产生的ECM)和其它组合物在无血清环境中产生。
[0304] 在一个实施方式中，用与膜结合的带正电荷的分子和/或细胞粘附因子对膜进行涂覆，以改善细胞附着并稳定细胞生长。带正电荷的分子可选自于由聚赖氨酸、壳聚糖、聚(乙烯亚胺)、或由丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺聚合而成的丙烯酸树脂组成的组，并且掺入了处于伯胺、仲胺或叔胺形式、或季盐形式的带正电荷的基团。可以将细胞粘附因子加入至膜，所述细胞粘附因子为纤连蛋白、层粘连蛋白、各种胶原类型、糖蛋白、玻连蛋白、弹性蛋白、纤维蛋白、蛋白聚糖、硫酸肝素、硫酸软骨素、硫酸角质素、透明质酸、腱生蛋白、抗体、适体或具有其细胞结合域的片段或类似物。带正电荷的分子和/或细胞粘附因子可以共价结合至膜上。在另一个实施方式中，带正电荷的分子和/或细胞粘附因子彼此共价结合，并且带正电荷的分子或细胞粘附因子共价结合至膜上。此外，可以使带正电荷的分子或细胞粘附因子、或两者以非共价结合至膜的稳定涂层的形式提供。
[0305] 在一个实施方式中，对细胞粘附促进物质、基质形成制剂、以及其它组合物进行灭菌，以防止不期望的污染。例如可以通过紫外线、过滤、气体等离子、臭氧、环氧乙烷和/或加热实现灭菌。特别是培养过程中，还可以加入抗生素，以防止细菌、真菌和其它不期望的微生物生长。以非限制性实例的方式，这种抗生素包括庆大霉素、链霉素、青霉素、两性霉素和环丙沙星。
[0306] 在一些实施方式中，可以使用气体等离子体、带电粒子、紫外线、臭氧或它们的任意组合对本文所述装置的其它组件和/或膜进行处理。
[0307] 细胞：在另一个实施方式中，用细胞培养物对膜的至少一侧进行涂覆或培养，该细胞培养物包括但不限于原代细胞培养物、建立的细胞系或干细胞培养物，例如附着至ECM物质的iPSC、ESC和/或细胞粘附分子(如果有的话)。在本文所述装置中可以使用任何原核细胞和真核细胞，包括例如但不限于人细胞、动物细胞、昆虫细胞、植物细胞、细菌、真菌和/或寄生虫。在一些实施方式中，在本文所述装置中使用哺乳动物细胞(例如人或动物)。通常，动物是脊椎动物，例如灵长类动物、啮齿类动物、家畜或狩猎动物。灵长类动物包括黑猩猩、食蟹猴、蜘蛛猴、和短尾猴(例如恒河猴)。啮齿类动物包括小鼠、大鼠、土拨鼠、雪貂、兔子和仓鼠。驯养和狩猎动物包括牛、马、猪、鹿、野牛、水牛、猫科动物(例如家猫)、犬科动物(例如狗、狐狸、狼)和禽类(例如鸡、鸸鹋、鸵鸟和鸟)。在一些实施方式中，动物细胞包括来自鱼类、爬行动物和两栖动物的细胞。细胞可来源于正常健康受试者(例如人或动物)或确定为具有疾病或疾患的特定类型或阶段的受试者(例如人或动物)。
[0308] 根据本发明的一些实施方式，细胞可以来源于无脊椎动物。例如，无脊椎动物可以包括但不限于原生动物、环节动物、软体动物、甲壳类动物、蛛形纲、棘皮动物和昆虫。
[0309] 在一些实施方式中，在本文所述装置中可以使用昆虫细胞。在一些实施方式中，在本文所述装置中可以使用植物细胞。在一些实施方式中，在本文所述装置中可以使用来源于真菌的细胞。真菌的实例可以包括但不限于蘑菇、霉菌和酵母。根据本发明的一些实施方式，在本文所述装置中可以使用来源于微生物的细胞。微生物的实例可以包括但不限于细菌和病毒。
[0310] 在实施方式中，附着在膜的任一侧的细胞可包括上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、基底细胞、纤毛细胞、柱状细胞、杯状细胞、肌肉细胞、免疫细胞、神经细胞、造血细胞、肺细胞(例如肺泡上皮细胞、气道细胞(例如小气道细胞和大气道细胞)、支气管细胞、气管细胞和鼻上皮细胞)、消化道细胞、脑细胞、干细胞、皮肤细胞、肝细胞、心脏细胞、脾细胞、肾细胞、胰腺细胞、肠细胞、角质细胞、皮肤角质细胞、生殖细胞、血细胞(包括例如白血球、红血球、血小板和造血干细胞和祖细胞)以及它们的任意组合。在其它实施方式中，原代细胞或细胞系可以是成纤维细胞，其包括但不限于人胎儿成纤维细胞。在一些实施方式中，干细胞培养物的干细胞是胚胎干细胞。胚胎干细胞的来源可以包括但不限于哺乳动物，包括非人灵长动物和人。人胚胎干细胞的非限制性实例包括BG01、BG02、BG03、BG01v、CHA-hES-1、CHA-hES-2、FCNCBS1、FCNCBS2、FCNCBS3、H1、H7、H9、H13、H14、HSF-1、H9.1、H9.2、HES-1、HES-2、HES-3、HES-4、HES-5、HES-6、hES-1-2、hES-3-0、hES-4-0、hES-5-1、hES-8-1、hES-8-2、hES-9-1、hES-9-2、hES-101、hICM8、hICM9、hICM40、hICM41、hICM42、hICM43、HSF-6、HUES-1、HUES-2、HUES-3、HUES-4HUES-5、HUES-6、HUES-7HUES-8、HUES-9、HUES-10、HUES-
11、HUES-12、HUES-13、HUES-14、HUESS-15、HUES-16、HUES-17、13、14、16、13.2、13.3、16.2、J3、J3.2、MB01、MB02、MB03、Miz-hES1、RCM-1、RLS ES 05、RLS ES 07、RLS ES 10、RLS ES
13、RLS ES 15、RLS ES 20、RLS ES 21、SA01、SA02和SA03细胞系。在一个实施方式中，干细胞培养物的干细胞是诱导的多能干细胞。
11、HUES-12、HUES-13、HUES-14、HUESS-15、HUES-16、HUES-17、13、14、16、13.2、13.3、16.2、J3、J3.2、MB01、MB02、MB03、Miz-hES1、RCM-1、RLS ES 05、RLS ES 07、RLS ES 10、RLS ES
13、RLS ES 15、RLS ES 20、RLS ES 21、SA01、SA02和SA03细胞系。在一个实施方式中，干细胞培养物的干细胞是诱导的多能干细胞。
[0311] 在实施方式中，细胞培养物可以是例如无血清的干细胞培养物或原代细胞培养物。在一些这样的实施方式中，无血清的原代细胞ECM连同原代细胞无血清培养基(SFM)一起使用。适合的SFM包括但不限于(a)补充有 限定生长补充物(Defined Growth Supplement)的 无血清培养基和(b)补充有限定角化细胞-SFM生长补充物的限
定角化细胞-SFM，均购自Gibco/Invitrogen(Carlsbad，Calif.，US)。在一些这样的实施方式中，无血清干细胞ECM连同干细胞SFM一起使用。适合的SFM包括但不限于补充有碱性成纤维细胞生长因子和β巯基乙醇的 hESC无血清培养基(SFM)、补充有KNOCKOUTTM.
血清替代物(SR)的KNOCKOUTTM.D-MEM、 MSC SFM和 NSC SFM，均
购自Gibco/Invitrogen(Carlsbad，Calif.，US)。
定角化细胞-SFM，均购自Gibco/Invitrogen(Carlsbad，Calif.，US)。在一些这样的实施方式中，无血清干细胞ECM连同干细胞SFM一起使用。适合的SFM包括但不限于补充有碱性成纤维细胞生长因子和β巯基乙醇的 hESC无血清培养基(SFM)、补充有KNOCKOUTTM.
血清替代物(SR)的KNOCKOUTTM.D-MEM、 MSC SFM和 NSC SFM，均
购自Gibco/Invitrogen(Carlsbad，Calif.，US)。
[0312] 在一个实施方式中，组成还可以是无异源的。当物质的组成缺乏来自除细胞原来的动物物种以外的任意动物的物质时，该物质的组成被称为是“无异源的”。在一个实施方式中，细胞培养物(其可以是例如原代细胞培养物或干细胞培养物)是无异源的。在这些实施方式中，无异源ECM可以是例如原代细胞ECM、或者专门设计用于支持干细胞生长或分化的ECM。这些基质可以被专门设计为无异源的。
[0313] 在一个实施方式中，细胞培养物是在调理(conditioned)培养基中培养的原代细胞或干细胞。在其它实施方式中，培养基是无条件培养基。
[0314] 在一个实施方式中，对细胞培养条件是完全限定的。在这些实施方式中，在流体腔室中使用完全限定的细胞培养基。适合的培养基包括但不限于：用于原代细胞的补充有限定生长补充物的 无血清培养基；以及用于干细胞的hESC SFM，均购自Gibco/Invitrogen(Carlsbad，Calif.，US)。
[0315] 为了研究测试试剂(例如医药品、环境应激源、病原体、毒素等)的作用，可以将这些测试试剂加入至适合于细胞(其附着至通道中的膜)生长的所期望的细胞培养基中。因此，可以将病原体(例如细菌、病毒、气溶胶、各种类型的纳米粒子、毒素、气态物质等)引入在腔室中流动的培养基中，从而对细胞进行供养。
[0316] 本领域技术人员还能够根据细胞的代谢活性控制培养基的pH平衡，以使pH保持在对于所讨论的任何细胞或组织类型合适的水平。可以将监测和调节pH的监视器和调节系统插入至装置中。
[0317] 优选在膜的一侧或两侧涂覆细胞、分子或其它物质，从而该装置提供了受控的环境，以监测沿着和/或在中通道和微通道之间经过膜的细胞行为。在装置中可以使用来自多细胞生物体的任何细胞。例如，人身体包含至少210种已知类型的细胞。本领域技术人员可以很容易地在装置中构建细胞的有用组合。可在装置中使用的细胞类型(例如人)包括但不限于：皮肤系统的细胞，包括但不限于角化上皮细胞、表皮角化细胞(分化的表皮细胞)、表皮基底细胞(干细胞)、手指甲和脚趾甲的角化细胞、甲床基底细胞(干细胞)、髓毛干细胞(medullary hair shaft cell)、皮质毛干细胞、角质层毛干细胞、角质层毛根鞘细胞、赫胥黎层的毛根鞘细胞、Henle层的毛根鞘细胞、外毛根鞘细胞、毛母细胞(干细胞)；湿的复层屏障上皮细胞，例如角膜、舌、口腔、食道、肛管、远端尿道和阴道的复层鳞状上皮的表面上皮细胞，角膜、舌、口腔、食道、肛管远端尿道和阴道的上皮基底细胞(干细胞)，尿道上皮细胞(内衬膀胱和尿道导管)；外分泌的分泌上皮细胞，例如唾液腺黏液细胞(富多糖分泌)、唾液腺浆液细胞(富糖蛋白酶分泌)、舌头的冯埃布氏腺细胞(洗涤味蕾)、乳腺细胞(乳汁分泌)、泪腺细胞(泪液分泌)、耳的耵聍腺细胞(蜡分泌)、外分泌的汗腺暗细胞(糖蛋白分泌)、外分泌的汗腺透明细胞(小分子分泌)、大汗腺细胞(有气味的分泌，性激素敏感)、眼睑的莫尔腺细胞(专门的汗腺)、皮脂腺细胞(富脂质皮脂分泌)、鼻子的鲍曼腺细胞(洗涤嗅上皮)、十二指肠的布伦纳腺细胞(酶和碱性黏液)、精囊细胞(分泌精液的组分，包括用于游动精子的果糖)、前列腺腺细胞(分泌精液组分)、尿道球腺细胞(黏液分泌)、前庭大腺细胞(阴道润滑物分泌)、Littre腺细胞(黏液分泌)、子宫内膜细胞(碳水化合物分泌)、呼吸道和消化道的孤立杯状细胞(黏液分泌)、胃黏膜黏液细胞(黏液分泌)、胃腺产酶细胞(胃蛋白酶原分泌)、胃腺泌酸细胞(盐酸分泌)、胰腺腺泡细胞(碳酸氢盐和消化酶分泌)、胰内分泌细胞、小肠的帕内特细胞(溶菌酶分泌)、肠上皮细胞、肺的I型和II型肺细胞(表面活性剂分泌)和/或肺的Clara细胞。
[0318] 还可以用以下细胞对膜进行涂覆：激素分泌细胞，例如胰腺胰岛的内分泌细胞、垂体前叶细胞、促生长激素细胞、催乳素细胞、促甲状腺细胞、促性腺细胞、促皮质激素细胞、中间垂体细胞，其分泌刺激黑素细胞的激素；以及分泌催产素或加压素的大细胞神经分泌细胞；分泌血清素、内啡肽、促生长素抑制素、胃泌素、促胰液素、缩胆囊素、胰岛素、胰高血糖素、蛙皮素的肠道和呼吸道细胞；诸如甲状腺上皮细胞的甲状腺细胞、滤泡旁细胞、甲状旁腺细胞、甲状旁腺主细胞、嗜酸性细胞、肾上腺细胞、分泌类固醇激素(盐皮质激素和糖皮质激素)的嗜铬细胞、分泌睾丸激素的睾丸间质细胞、分泌雌激素的卵巢内膜细胞、分泌黄体酮的破裂卵泡的黄体细胞、粒层黄体细胞、卵泡膜黄体细胞、肾小球旁细胞(肾素分泌)、肾的致密斑细胞、肾的极周细胞和/或肾的肾小球系膜细胞。
[0319] 另外地或替代性地，可以用代谢和储存的细胞对膜的至少一侧进行处理，例如肝细胞、白色脂肪细胞、棕色脂肪细胞、肝脂肪细胞。还可以使用屏障功能细胞(肺、消化道、外分泌腺和泌尿生殖道)或肾细胞，例如肾小球壁细胞、肾小球足细胞、肾近曲小管刷状缘细胞、Henle袢细段细胞、肾远曲小管细胞和/或肾集合管细胞。
[0320] 可在装置中使用的其它细胞包括I型肺细胞(内衬肺的空气空间)、胰管细胞(泡心细胞)、无横纹导管细胞(汗腺、唾液腺、乳腺等的无横纹导管细胞)、主细胞、闰细胞、管细胞(精囊、前列腺等的管细胞)、肠刷状缘细胞(带微绒毛)、外分泌腺纹状管细胞、胆上皮细胞、输出小管无纤毛细胞、附睾主细胞和/或附睾基底细胞。
[0321] 还可以使用内衬封闭的内部体腔的上皮细胞，例如滑膜细胞(内衬关节腔，透明质酸分泌)、浆膜细胞(内衬腹膜腔、胸膜腔和心包腔)、鳞状细胞(内衬耳外淋巴空间)、鳞状细胞(内衬耳内淋巴空间)、具有微绒毛的内淋巴囊柱状细胞(内衬耳内淋巴空间)、无微绒毛的内淋巴囊柱状细胞(内衬耳内淋巴空间)、暗细胞(内衬耳内淋巴空间)、前庭膜细胞(内衬耳内淋巴空间)、血管纹基底细胞(内衬耳内淋巴空间)、血管纹边缘细胞(内衬耳内淋巴空间)、Claudius细胞(内衬耳内淋巴空间)、Boettcher细胞(内衬耳内淋巴空间)、脉络丛细胞(脑脊髓液分泌)、软蛛网膜鳞状细胞、眼的色素纤毛上皮细胞、眼的无色素纤毛上皮细胞。
[0322] 通过将以下细胞添加至培养基中膜的表面，可以在装置中使用以下细胞。这些细胞包括例如：具有推进功能的纤毛细胞，例如呼吸道纤毛细胞、输卵管纤毛细胞(雌性)、子宫内膜纤毛细胞(雌性)、睾丸网纤毛细胞(雄性)、输出小管纤毛细胞(雄性)、和/或中枢神经系统的纤毛室管膜细胞(内衬脑腔)。
[0323] 还可以对分泌特定ECM的细胞进行铺板，例如成釉细胞上皮细胞(牙釉质分泌)、耳的前庭器官的半月面上皮细胞(蛋白多糖分泌)、Corti齿间器官(Organ of Corti interdental)上皮细胞(分泌覆盖毛细胞的盖膜)、疏松结缔组织成纤维细胞、角膜成纤维细胞(角膜细胞)、肌腱成纤维细胞、骨髓网状组织成纤维细胞、其它非上皮成纤维细胞、周皮细胞、椎间盘的髓核细胞、成牙骨质细胞/牙骨质细胞(牙根骨质分泌)、成牙本质细胞/牙本质细胞(牙本质分泌)、透明软骨软骨细胞、纤维软骨软骨细胞、弹性软骨软骨细胞、成骨细胞/骨细胞、骨祖细胞(成骨细胞的干细胞)、眼玻璃体的玻璃体细胞、耳外淋巴空间的星状细胞、肝星状细胞(伊藤细胞)和/或胰腺星状细胞。
[0324] 另外地或替代性地，可以在本装置中使用收缩细胞，例如骨骼肌细胞、红骨骼肌细胞(慢)、白骨骼肌细胞(快)、中间体骨骼肌细胞、肌梭的核袋细胞、肌梭的核链细胞、卫星细胞(干细胞)、心肌细胞、普通心肌细胞、节点心肌细胞、浦肯野纤维细胞、平滑肌细胞(各种类型)、虹膜肌上皮细胞、外分泌腺的肌上皮细胞。
[0325] 以下细胞也可以在本装置中使用：血液和免疫系统细胞，例如红细胞(红血球)、巨核细胞(血小板前体)、单核细胞、结缔组织巨噬细胞(各种类型)、表皮的Langerhans细胞、破骨细胞(在骨中)、树突细胞(在淋巴组织中)、小神经胶质细胞(在中枢神经系统中)、嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞、辅助性T细胞、抑制性T细胞、细胞毒性T细胞、自然杀伤性T细胞、B细胞、自然杀伤性细胞、网织红细胞、血液和免疫系统的干细胞和定向祖细胞(各种类型)。可将这些细胞以单一细胞类型或混合物使用，以测定组织培养体系中免疫细胞的作用。
[0326] 还可以使用下述一种或多种神经系统细胞对膜进行处理：感官传感器细胞，例如Corti器官听觉内毛细胞、Corti器官听觉外毛细胞、嗅上皮的基底细胞(嗅神经元的干细胞)、冷敏感原代感觉神经元、热敏感原代感觉神经元、表皮的Merkel细胞(触摸传感器)、嗅觉受体神经元、疼痛敏感原代感觉神经元(各种类型)；在眼部视网膜的光感受器细胞，包括光感受器杆细胞、眼的光感受器的蓝敏感锥细胞、眼的光感受器的绿敏感锥细胞、眼的光感受器的红敏感锥细胞、本体感受的原代感觉神经元(各种类型)；触摸敏感的原代感觉神经元(各种类型)；I型颈动脉体细胞(血液pH传感器)；II型颈动脉体细胞(血液pH传感器)；耳前庭器的I型毛细胞(加速度和重力)；耳前庭器的II型毛细胞(加速度和重力)；和/或Ⅰ型味蕾细胞。
[0327] 可以在本装置中进一步使用自主神经元细胞，例如胆碱能神经细胞(各种类型)、肾上腺素能神经细胞(各种类型)、肽能神经细胞(各种类型)。此外，还可以使用感觉器官和外周神经支持细胞。这些包括例如Corti器官的内柱细胞、Corti器官的外柱细胞、Corti器官的内指骨细胞、Corti器官的外指骨细胞、Corti器官的边缘细胞、Corti器官的Hensen细胞、前庭器官支持细胞、I型味蕾支持细胞、嗅觉上皮支持细胞、Schwann细胞、卫星细胞(包封周围神经细胞体)和/或肠溶胶质细胞。在一些实施方式中，还可以使用中枢神经系统的神经元和神经胶质细胞，例如星形胶质细胞(各种类型)、神经元细胞(各种各样的类型，仍未很好地分类)、少突细胞和纺锤体神经元。
[0328] 还可以在本装置中使用晶状体细胞，例如前晶状体上皮细胞和含晶体蛋白的晶状体纤维细胞。此外，可以使用：色素细胞，例如黑素细胞和视网膜色素上皮细胞；以及生殖细胞，例如卵原细胞/卵母细胞、精子细胞、精母细胞、精原细胞(精母细胞的干细胞)和精子。
[0329] 在一些实施方式中，可以将哺育细胞、卵泡细胞、塞尔托利细胞(在睾丸中)、胸腺上皮细胞添加至膜上。还可以使用间质细胞，例如间质肾细胞。
[0330] 在一个实施方式中，可以用上皮细胞涂覆膜的至少一侧。上皮是由内衬在整个身体结构的空腔和表面的细胞构成的组织。许多腺体也是由上皮组织形成的。它位于结缔组织的顶部，并且两个层由基底膜分隔开。在人中，上皮被归类为基本人体组织，其它几种为结缔组织、肌肉组织和神经组织。上皮往往由粘附分子E-钙粘蛋白(相对于被神经元和结缔组织细胞使用的n-钙粘蛋白)的表达所界定。
[0331] 上皮细胞的功能包括分泌、选择性吸收、保护、跨细胞运输和检测感觉，结果是，它们通常呈现广泛的尖-基底极性(例如表达的不同膜蛋白)和专门化。上皮细胞的实例包括具有薄的、扁平外观的鳞状细胞。它们在组织中紧密贴合在一起；提供流体可以在其上很容易地移动的光滑、低摩擦表面。核的形状通常对应于细胞形态，并有助于鉴别上皮的类型。由于细胞的薄扁平形式，鳞状细胞倾向于具有水平方向上扁平的、椭圆形的核。传统上，鳞状上皮细胞被发现利用简单的被动扩散而内衬表面，例如肺中的肺泡上皮。专门的鳞状上皮还构成空腔的内衬，例如血管(内皮)和心脏(间皮)以及在体内发现的主要空腔。
[0332] 上皮细胞的另一实例是立方细胞。立方细胞大约成立方形的形状，截面显示为正方形。每个细胞在中央具有球形核。立方上皮通常见于分泌性组织或吸收性组织(例如(分泌性)外分泌腺体胰腺和肾小管的内衬(吸收性))、以及腺体的导管中。它们还构成了生殖上皮，其在女性卵巢中产生卵细胞，在男性睾丸中产生精子细胞。
[0333] 上皮细胞的另一种类型是细长且具有柱状形状的柱状上皮细胞。它们的核是细长的，并且通常位于细胞底部附近。柱状上皮形成了胃和肠道的内衬。例如在鼻子、耳朵和舌头的味蕾中，一些柱状细胞被专门用于感官接收。在十二指肠的柱状上皮细胞之间发现了杯状细胞(单细胞腺体)。它们分泌起到润滑物作用的黏液。
[0334] 上皮细胞的另一实例是假复层细胞。这些是简单的柱状上皮细胞，其细胞核出现在不同的高度，当在横截面中观察细胞时，给出误以为上皮是复层的印象(因此称为“假”)。假复层上皮还可以拥有自己的尖(腔)膜的细毛状延伸(称为纤毛)。在这种情况下，上皮被描述为“纤毛的”假复层上皮。纤毛能够在一定的方向上通过细胞骨架微管的相互作用而以能量依赖性的方式搏动跳动，并连接了结构蛋白和酶。所产生的飘动效应(wafting effect)导致杯状细胞局部分泌的黏液(以润滑和捕获病原体和粒子)在该方向上流动(通常向身体外面)。纤毛上皮见于气道(鼻、支气管)中，但是也见于女性的子宫和输卵管中，其中，所述纤毛推动卵子进入子宫。
[0335] 上皮同时内衬在身体空腔和内腔的外部(皮肤)和内部。我们皮肤的最外层是由死的复层鳞状、角质化上皮细胞构成的。
[0336] 内衬在口腔、食道和部分直肠内部的组织是由非角化复层鳞状上皮构成的。将体腔与外部环境分隔开的其它表面是由简单的鳞状、柱状或假复层上皮细胞内衬的。其它上皮细胞内衬在肺、胃肠道、生殖和泌尿道的内部，并构成了外分泌腺体和内分泌腺体。角膜的外表面覆盖有快速生长、易于再生的上皮细胞。内皮(血管、心脏和淋巴管的内衬)是上皮的专门化形式。另一种类型间皮形成了心包、胸膜和腹膜的壁。
[0337] 因此，可以通过将适用的细胞类型平铺至膜上和/或对膜施加适用的机械调节为细胞提供生理或人工机械力，以模仿生理力(例如皮肤的张力或肺的机械应变)，从而在本文所述的细胞培养装置中重建这些组织的任意一种。在一个实施方式中，膜的一侧涂覆有上皮细胞，另一侧涂覆有内皮细胞。内皮细胞的实例包括但不限于：血管和淋巴管内皮有孔细胞、血管和淋巴管内皮连续细胞、血管和淋巴管内皮脾细胞、角膜内皮细胞以及它们的任意组合。
[0338] 内皮是内衬在血管和淋巴管的内表面的细胞薄层，在血管壁的其余部分和内腔中的循环血液或淋巴之间形成界面。与血液直接接触的内皮细胞是血管内皮细胞，而与淋巴直接接触的内皮细胞被称为淋巴内皮细胞。内皮细胞内衬在整个循环系统中，从心脏至最小的毛细血管。这些细胞减少了血液流动的湍流，允许将流体泵送地更远。
[0339] 解剖的基本模型在内皮细胞和上皮细胞之间产生区别，在此基础上，它们发育所来源的组织和存在波形蛋白(而不是角蛋白丝)的状态将它们与上皮细胞分开。心脏腔室内表面的内皮被称为心内膜。毛细血管和毛细淋巴管均是由称为单层的单个内皮细胞层构成的。内皮细胞涉及血管生物学的许多方面，包括：血管收缩和血管舒张，以及由此的血压控制；凝血(血栓形成和纤维蛋白溶解)；动脉粥样硬化；新的血管形成(血管新生)；炎症和屏障功能——内皮充当血管内腔和周围组织之间的选择性屏障，控制材料的通过和白血球进出血流的转运。内皮细胞单层的通透性的过度或长期增加(如在慢性炎症的情况下)可导致组织水肿/肿胀。在一些器官中，存在高度分化的内皮细胞，进行专门的“过滤”功能。这种独特的内皮结构的实例包括肾小球和血脑屏障。
[0340] 在实施方式中，可以将包含培养的内皮细胞的膜侧暴露于各种测试物质，还可以暴露于在底部微通道中流动的白血球或特定的免疫系统细胞，从而在组织水平研究测试试剂对免疫系统细胞的功能造成的影响。
[0341] 可在具有预接种的细胞或预成形的组织结构、或没有预接种的细胞的情况下，提供本文所述的装置。
[0342] 使用本文所述器官模仿装置，可以研究生物转化、吸收、清除、代谢、和异生物质的活化、以及药物递送。还可以对化学和生物试剂如同在肠道中跨越上皮层、如同在血管中跨越内皮层、以及跨越血脑屏障的生物利用度和运输进行研究。还可以对化学试剂的急性基础毒性、急性局部毒性或急性器官特异性毒性、致畸性、遗传毒性、致癌性和诱变性进行研究。还可以测定和研究传染性生物试剂、生物武器、有害化学试剂和化学武器的作用。可以对传染病、化学和生物试剂对治疗这些疾病的效力、以及这些试剂的最佳剂量范围进行研究。使用本装置可以对器官在体内对化学和生物试剂的响应、以及这些试剂的药代动力学和药效学进行测定和研究。可以对遗传内容对响应于试剂的影响进行研究。可以测定响应于化学或生物试剂的蛋白质和基因表达的量。也可以使用本装置研究响应于化学或生物试剂的代谢变化。
[0343] 相对于传统的细胞培养物或组织培养物，器官模仿装置具有很多优点。例如，当将细胞置于器官模仿装置中时，可发生成纤维细胞、SMC(平滑肌细胞)、内皮细胞和/或上皮细胞的分化，重新建立接近体内情况的定义的三维架构组织-组织关系，并且可以在组织和器官水平对细胞功能以及对药理学试剂或活性物质或产物的响应进行研究。
[0344] 此外，在器官模仿装置中许多细胞或组织活性是适合于检测的，包括但不限于：药物进入并通过输送流动通道的层状组织的扩散速率；细胞形态、分化和分泌在不同层的变化；细胞运动、生长、凋亡等。此外，可以很容易地对各种药物对位于系统不同层的不同类型细胞的作用进行评估。
[0345] 对于药物发现，例如，使用本文所述器官模仿装置可以有两个好处：(1)器官模仿装置能够更好地模仿组织的体内复层架构，因此允许除了在细胞和组织水平以外的器官水平研究药物作用；以及(2)器官模仿装置减少了体内组织模型的使用和用于药物选择和毒理学研究的动物的使用。
[0346] 除了药物发现和开发以外，本文所述器官模仿装置也可用于基础和临床研究。例如，器官模仿装置可用于研究肿瘤发生的机制。证实了体内癌症进展由宿主和肿瘤微环境(包括基质细胞和细胞外基质(ECM))进行调控。例如，发现基质细胞能够将良性上皮细胞转化为恶性细胞，从而发现ECM影响肿瘤的形成。有越来越多的证据表明，在定义的构架中生长的细胞比在单层中的细胞更加耐受细胞毒性剂。因此，器官模仿装置是用于模拟癌细胞原始生长特性更有效的手段，从而更好地反映肿瘤在体内的实际药物敏感性。
[0347] 器官模仿装置可以在各种组织的工程化中使用，包括但不限于心血管系统、肺、肠、肾、脑、骨髓、骨、牙齿和皮肤。如果装置由合适的生物相容性和/或可生物降解的材料(例如聚乳酸-共-乙醇酸(PLGA))制成，则器官模仿装置可用于体内移植或植入。此外，空间定位和控制几种细胞类型的相互作用的能力为分层次工程化(engineer hierarchically)提供了机会，并创建更多的生理上正确的组织和器官类似物。多种细胞类型以定义的安排进行排布对细胞分化、维护和功能寿命具有有益作用。
[0348] 器官模仿装置还可以允许根据细胞的需求及其在体内的存在，将不同的生长因子、化学品、气体和营养物加入至不同的细胞类型。控制这些因子或蛋白质的位置可以指向特定细胞的重塑和发挥功能的过程，并且还可以向整个系统提供分子诱因，从而实现有利的发展，例如新组织(neotissue)、细胞重塑、促进分泌等。
[0349] 在另一方面，器官模仿装置可以用作多细胞类型的细胞微阵列，例如微流控装置。使用器官模仿装置，可以维持细胞阵列的图案完整性。这些细胞微阵列可以构建未来的“芯片实验室”，当多路复用和自动化时尤为如此。这些小型化的多细胞类型培养将促进以更快、更低噪音的阵列进行细胞动力学观察，其具有内置的复杂性，将允许细胞对阵列表现出与体内类似的响应。
[0350] 在另一方面，器官模仿装置可以用作生物传感器。基于细胞的生物传感器可以提供比其它生物传感器更多的信息(因为细胞对于刺激往往具有多方面生理响应)以及新的机制以扩增这些响应。在器官模仿装置中的所有细胞类型可用于在同一时间监测分析物的不同方面；在器官模仿装置中的不同细胞类型可用于在同一时间监测不同的分析物；或者这两种类型的监测的混合。从大肠杆菌至哺乳动物系细胞范围内的细胞已被用作传感器，用于环境监测、毒素检测和生理监测应用。
[0351] 在另一个方面，器官模仿装置可以用于了解细胞生物学和细胞-ECM相互作用的基本过程。体内重构过程是细胞和ECM之间复杂的、动态的、相互的过程。器官模仿装置将能够捕获这些生物系统的复杂性，使这些系统适合于研究和有益的操控。此外，与成像工具(例如荧光显微术、微荧光测定法或光学相干断层扫描(OCT))相结合，使用装置预期对多层组织中的细胞行为进行实时分析。适合于实时分析的细胞和组织研究的实例包括细胞分泌和信号传导、细胞-细胞相互作用、组织-组织相互作用、动态工程化组织的构建和监测、在组织工程中的结构-功能研究、以及细胞重塑基质的体外过程。
[0352] 使用本装置的另一个实例是通过将它在体内植入活动物体内，允许细胞和组织浸渍装置并建立正常的组织-组织界面，在装置内诱导形成组织-组织界面和复杂的器官结构。然后，通过手术将整个装置以及所含的细胞和组织取出，同时通过一个或多个具有细胞存活所需气体和培养基的流体通道对装置进行灌注。然后，这种复杂的器官模拟可以通过连续灌注而在体外保持存活，并用于在使用任何现有的体外模型系统中均不可能实现的复杂性水平下，研究细胞和组织处于其正常3D环境下高度复杂的功能。
[0353] 特别地，可以将微通道装置在皮下植入动物体内，其中，该装置在具有一个或多个对周围组织空间开放的相应端口的通道中包含骨诱导材料，例如去矿物质的骨粉末或骨形态发生蛋白(BMP)。在植入过程中，通过封闭第二通道的端口或用可去除材料(例如实心杆)填充第二通道，而将第二通道封闭。伤口愈合的结果是，含有微毛细管和间充质干细胞的结缔组织将生长至装置的开放通道，并且由于骨诱导材料的存在，将形成具有募集循环造血前体细胞以形成全功能骨髓的空间的骨，正如在过去的研究中所示。
[0354] 一旦这个过程完成，手术部位将被重新打开，通过除去杆或塞将第二通道重新打开，然后将其与连接至流体储库的导管连接，以便将含有细胞存活所需气体和营养物的培养基通过第二通道泵送，并通过膜的孔达到含有所形成的骨髓的第一通道。然后，可以将整个微通道装置从周围组织中切割出来，同时将连续流动进入装置的培养基从动物中移除，使其通过组织培育器并维持在具有流经第二通道的连续流体的培养基中，如果需要，还可以通过连接它们的入口端口和出口端口，将额外的流加入第一通道。然后，微通道装置将用于如同在受控环境中对完整骨髓的功能进行体外研究。
[0355] 生物相容性的和可生物降解的材料均可在本装置中使用，以促进本装置的体内植入。还可以使用生物相容性的和可生物降解的涂层。例如，可以在金属基板上使用陶瓷涂层。但是，任意类型的涂层材料和涂层可由不同类型的材料制成：金属、陶瓷、聚合物、水凝胶或这些材料的任意组合。
[0356] 生物相容性材料包括但不限于氧化物、磷酸盐、碳酸盐、氮化物或碳氮化物。在氧化物中，下面的氧化物是优选的：氧化钽、氧化铝、氧化铱、氧化锆或氧化钛。在一些情况下，涂层还可以由可生物降解材料制成，所述可生物降解材料将随时间溶解并且可以被活体组织取代。基板由以下材料制成，例如金属、陶瓷、聚合物或它们的任意组合。以下物质是特别感兴趣的：金属，例如不锈钢、镍钛诺、钛、钛合金或铝；以及陶瓷，例如氧化锆、氧化铝或磷酸钙。
[0357] 生物相容性材料也可以是可生物降解的，如果其将随时间溶解，并且可以被活体组织取代。这种可生物降解材料包括但不限于：聚(乳酸-共-乙醇酸)、聚乳酸、聚乙醇酸(PGA)、胶原或其它ECM分子、其它结缔组织蛋白质、镁合金、聚己内酯、透明质酸、粘附性蛋白质、可生物降解的聚合物；生物相容性的且可生物降解的合成材料，例如生物聚合物、生物玻璃、生物陶瓷；钙硫酸盐；钙磷酸盐，例如磷酸一钙一水合物、无水磷酸一钙、磷酸二钙二水合物、无水磷酸二钙、磷酸四钙、正磷酸钙、焦磷酸钙、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙；磷灰石，例如羟磷灰石；或聚合物，例如聚(α-羟基酯)、聚(原酸酯)、聚(醚酯)、聚酐、聚(磷腈)、聚(丙烯富马酸酯)、聚(酯酰胺)、聚(乙烯富马酸酯)、聚(氨基酸)、多糖、多肽、聚(羟基丁酸酯)、聚(羟基戊酸酯)、聚氨酯、聚(苹果酸)、聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯、聚(乙交酯-共-三亚甲基碳酸酯)、聚二氧环己酮或它们的共聚物、三元共聚物或上述聚合物的共混物；或生物相容性的和可生物降解的材料的组合。还可以使用可生物降解的玻璃以及生物活性玻璃自增强和超高强度的生物可吸收复合物，所述生物可吸收复合物由部分结晶的生物可吸收聚合物(如聚乙交酯、聚丙交酯和/或乙交酯/丙交酯共聚物)组成。
[0358] 根据植入物的几何形状，这些材料优选具有高的初始强度、适当的弹性模量、以及4周至1年的体内强度保留时间。增强件、例如结晶聚合物的纤维、聚合物树脂中的碳纤维和粒状填料(例如羟基磷灰石)也可以用于提供可生物降解装置的尺寸稳定性和机械性能。互穿网络(IPN)在可生物降解材料构建中的使用已经证明是改善机械强度的手段。为了进一步改善IPN增强的可生物降解材料的机械性能，可以使用不同的交联剂，在聚(丙交酯-共-乙交酯)85:15(PLGA)或聚(l-丙交酯-共-D,L-丙交酯)70:30(PLA)的主体基质内将本装置制备为的交联聚丙烯富马酸酯的半互穿网络(SIPN)。还可以使用如在Charles-Hilaire Rivard等(Journal of Applied Biomaterials，第6卷，第1期，第65–68页，2004年9月1日)所述的天然聚(羟基丁酸酯-共-9％羟基戊酸酯)共聚酯膜。本领域技术人员还能够根据装置所用于的应用，选择适合于任何具体目的以及任何细胞和组织类型的其它可生物降解材料。
[0359] 当置于体内时，所述装置还可以用作治疗装置。可以通过将装置置于例如允许装置被活细胞和组织栖息的动物模型中，然后取出具有活细胞的整个装置，同时向血管通道灌注培养基，以重建器官模仿物(例如骨髓或淋巴结)。然后，可以将装置取出并保持离体存活，用于体外或离体研究。特别地，可以在体外用一个或多个细胞层涂覆膜的至少一侧。在本实施方式中，将细胞接种在有机体外部。在一个实施方式中，在体内用一个或多个细胞层涂覆膜的至少一侧。可以在体外处理膜的一侧，并在体内处理另一侧。还可以在体内用一种细胞类型先涂覆膜的一侧或两侧，然后将装置植入，以在体内吸引另外的细胞层。
[0360] 组织/器官模仿装置的其它实例
[0361] 在一些实施方式中，本文所述装置可适于建立组织或器官的至少一部分的模型，其需要更高的通道以容纳复层、假复层或三维结构的形成，和/或提供足够的上部空间，以允许空气流和/或液体流在细胞上产生低剪切应力，以模拟天然的生理环境。不希望受到限制，本领域技术人员将容易理解的是，本文所述装置还可以用于建立组织或器官至少一部分的模型，其不一定需要这种额外空间用于最优化的细胞生长和/或流体流动。在这些实施方式中，可以对空气/流体流动进行调节，使得细胞上方的上部空间增加，以维持细胞所受到的生理学相关剪切水平。
[0362] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立皮肤组织或器官的至少一部分的模型，进而用于研究或模仿皮肤相关的生理相关条件(例如正常和/或病理状态)，用于本文所述的各种应用。较高的中通道可用于随着多层细胞和/或结构的成熟或分化为其提供更多空间。可以使用本文所述装置建模的皮肤相关疾病或疾患的实例包括但不限于：老化、特应性皮炎、接触性皮炎(过敏性或刺激性)、湿疹、银屑病、痤疮、表皮角化过度、棘皮、表皮炎症、真皮炎症或瘙痒、红斑痤疮、内瑟顿综合征、脱皮综合征A型和B型、遗传性鱼鳞癣、化脓性汗腺炎、红皮病(全身剥脱性皮炎)、皮肤癌以及它们的任意组合。这还可以用于研究局部施用的化妆品或消费品的吸收、效力和/或毒性。在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立老化皮肤模型。这还可以用于研究经皮的药物输送。
[0363] 哺乳动物皮肤通常由两个主要层组成：提供保护屏障的表皮；和真皮(表皮下面的皮肤层)。表皮是包含多个细胞层的复层鳞状上皮，所述多个细胞层即(从最外层开始)角质层、透明层(主要是在手掌和脚掌)、颗粒层、棘层、生发层(也称为基底层)。角化细胞占据了表皮的多数，并且还存在Merkel细胞、黑素细胞和Langerhans细胞。
[0364] 真皮层主要由结缔组织和细胞外基质(例如胶原纤维、微纤维和弹性纤维)组成，它们为皮肤提供了抗张强度和弹性。真皮层还包藏着许多机械感受性受体(例如神经末梢)，其提供了触感和热感。真皮层还含有毛囊、汗腺、皮脂腺、顶泌腺、淋巴管和血管。在真皮中的血管可为表皮及其自身细胞去除废物和/或提供营养。
[0365] 真皮通过基底膜连接至表皮，并在结构上划分为两个区域：邻近表皮的浅表区域(称为乳突区域)和被称为网状区域的较厚深层区域。乳突突区域包含松弛细隙结缔组织和朝着表皮延伸的指状突起(称为乳突)。乳突为真皮提供了与表皮相间交叉的“不平整的”表面，强化了皮肤的两层之间的联系。网状区域位于乳突地区的深部，并且通常厚得多。网状区域含有：致密的不规则结缔组织；以及致密浓度的具有胶原性和弹性的网状纤维，该网状纤维迂回于整个上述结缔组织中。这些蛋白质纤维为真皮赋予了强度、可扩展性和弹性。可对皮肤生理学和/或病理生理学至关重要的其它真皮组分包括脉管。
[0366] 因此，中通道250A可具有下述高度尺寸，其被配置为允许模仿人或动物皮肤的皮肤等效物的形成。在一些实施方式中，装置的膜可用作基底，分离表皮层和真皮层。例如，可以使用角化细胞(以及任选地通常存在于表皮的其它细胞，例如Merkel细胞、黑素细胞以及Langerhans细胞)涂覆膜的面向中通道的表面。可以将膜上的角化细胞培养在气-液界面(在如“小气道”实例中所示的类似设置)，以诱导细胞分化形成复层的表皮层。在分化过程中，角化细胞可以变得高度组织化，彼此之间形成细胞连接(模仿桥粒)和/或分泌可贡献于细胞外基质的形成并提供机械强度的脂质和/或角质蛋白。在一些实施方式中，来自最外复层的角化细胞最终可以从表皮脱落，如同角化细胞在体内从角质层脱落。
[0367] 虽然在一些实施方式中，可以在中通道和微通道中分别形成表皮层和真皮层，但在一些实施方式中，可以在中通道内同时形成表皮层和真皮层。
[0368] 膜的面向微通道的另一表面可涂覆有细胞或没有细胞。在一些实施方式中，膜的面向微通道的表面可以涂覆有选自于由以下细胞所组成的组中的细胞：通常存在于真皮层的细胞类型(例如成纤维细胞)、下皮相关的细胞(例如成纤维细胞、巨噬细胞和/或脂肪细胞)、本文所述的血管相关细胞以及它们的任意组合。
[0369] 在一些实施方式中，其中，膜的面向微通道的表面用于建立真皮层模型，膜的面向中通道的另一表面可以涂覆有表皮相关的细胞或没有表皮相关的细胞。在这些实施方式中，装置的膜可用作如同表皮层的保护屏障。
[0370] 在一些实施方式中，可以将通常存在于皮肤表面的微生物(例如表皮葡萄球菌)与在中通道形成的表皮层一起培养。
[0371] 在一些实施方式中，在用于建立皮肤组织模型的装置中使用的膜可以是多孔的和柔性的。在一些实施方式中，可以通过本文所述的气动机构和/或机械手段对膜进行机械调节，从而例如模仿通常由皮肤细胞在体内经历的机械静态应变。
[0372] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立心脏的至少一部分的模型。根据本发明的一些实施方式，心脏模仿装置可用于研究或模仿心脏相关的生理相关条件(例如正常和/或病理状态)，用于本文所述的各种应用。可以使用本文所述装置建立模型的心脏相关疾病或疾患的实例包括但不限于冠状动脉心脏病(也称为缺血性心脏疾病或冠状动脉疾病)、心肌病、高血压性心脏病、心脏衰竭、肺心病、心脏节律紊乱、炎性心脏病(例如心内膜炎、炎性心脏肥大和心肌炎)、心脏瓣膜病、先天性心脏病、风湿性心脏病、动脉粥样硬化以及它们的任意组合。该模型还可以用于研究药物或毒素对正常心脏活力和/或功能的作用。
[0373] 例如，在一些实施方式中，膜的面向中通道的表面可以涂覆有功能化心脏组织的薄膜，而膜的面向微通道的另一表面可以涂覆有本文所述的血管相关细胞或没有本文所述的血管相关细胞。在一些实施方式中，可以首先制造功能化心脏组织的薄膜，然后将其放置在面向中通道的膜上。例如，功能化心脏组织的薄膜可以通过以下方式来制造：将心肌细胞(例如心室心肌细胞)培养在具有细胞粘附蛋白(例如细胞外基质蛋白)微图案的弹性体聚合物薄膜上，以促进空间有序的二维肌形成，从而创建如前所述的“肌薄膜”(MTF)，例如在GrosbergA.等，“Ensembles of engineered cardiac tissues for physiological and pharmacological study:Heart on a chip”，Lab on a chip，(2011)，11：4165；以及国际申请WO2008/051265和WO2010/042856中所述，通过引用将其内容并入本文。这些肌薄膜可以具有电功能性和主动收缩性，产生与由整个乳突肌产生的应力相当的应力。例如，在肌薄膜上的心肌细胞可以收缩，使弹性体聚合物薄膜弯曲并形成三维(3D)结构。因此，在一些实施方式中，中通道250A可具有足以随肌薄膜的弯曲并形成三维结构而容纳其高度的高度尺寸。
[0374] 在一些实施方式中，收缩性的心脏肌肉细胞(例如心肌细胞)可以在面向中通道的柔性多孔膜的表面上生长，同时，面向微通道的另一表面可以涂覆有本文所述的血管相关细胞或没有本文所述的血管相关细胞。当心脏肌肉细胞收缩时，膜上的孔眼由于细胞收缩会变形。仅以举例的方式，当心脏肌肉细胞处于松弛状态时，孔眼可以保持为圆形；但由于肌肉细胞收缩，圆形的孔眼会变形，例如成为卵形或椭圆形。参见例如2012年12月10日提交的国际专利申请PCT/US12/68766，在此通过引用将其内容并入本文。在该实施方式中，较高的中通道可以向心脏肌肉细胞提供低剪切应力，如同在天然生理微环境中那样。
[0375] 在一些实施方式中，成肌细胞可以生长在面向中通道的膜上(进行或不进行膜的机械调节)，以诱导成肌细胞分化形成肌细胞或心肌细胞。
[0376] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立眼部的至少一部分的模型，进而可用于研究或模仿眼部病症(例如正常和/或病理状态)，用于本文所述的各种应用。较高的中通道可以为柔弱的眼部细胞提供低剪切应力，如同处于天然生理微环境中那样。可以使用本文所述装置建模的与眼的前部和/或后部相关的眼部疾病或疾患的实例包括但不限于：年龄相关性的黄斑变性、脉络膜新生血管形成、糖尿病性黄斑水肿、急性和慢性黄斑视神经网膜病变、中央性浆液性脉络膜视网膜病变、黄斑水肿、急性多病灶性盾鳞状色素上皮病变、Behcet病、鸟枪弹样视网膜脉络膜病变、后葡萄膜炎、后巩膜炎、匐行性脉络膜炎、视网膜下纤维化、葡萄膜炎综合征、Vogt-Koyanagi-Harada综合征、视网膜动脉阻塞性疾病、视网膜中央静脉阻塞、弥散性血管内凝血、视网膜分支静脉阻塞、高血压性眼底改变、眼部缺血综合征、视网膜动脉微动脉瘤、Coat病、旁中央凹毛细血管扩张、半侧视网膜静脉阻塞、视乳头静脉炎、颈动脉疾病(CAD)、霜样树枝状脉管炎、镰状细胞视网膜病、血管样纹、家族性渗出性玻璃体视网膜病变、Eales病、增殖性玻璃体视网膜病、糖尿病性视网膜病、与肿瘤相关的视网膜疾病、视网膜色素上皮(RPE)的先天性肥大、后葡萄膜黑色素瘤、脉络膜血管瘤、脉络膜骨瘤、脉络膜转移、视网膜和视网膜色素上皮的组合错构瘤、视网膜母细胞瘤、眼底血管增生瘤、视网膜星形细胞瘤、眼内淋巴瘤、近视性视网膜变性、急性视网膜色素上皮炎、青光眼、眼内炎、巨细胞病毒性视网膜炎、视网膜癌以及它们的任意组合。该模型还可以用于研究眼部给药。
[0377] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立眼的至少前部的模型。例如，在一些实施方式中，膜的面向中通道的表面可以涂覆有角膜相关的细胞(例如但不限于角膜上皮细胞、角膜细胞和/或角膜神经细胞)，而膜的另一表面可任选地内衬有角膜内皮细胞，其包含或不包含角膜成纤维细胞作为插入层。具有眼房水类似粘度的液态流体可以流经微通道，为中通道内的细胞提供营养物，同时将细胞培养在气-液界面(在如“小气道”实例中所述的类似设置中)。该模型可用于研究角膜免疫响应。
[0378] 在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立眼的至少后部(例如视网膜的一部分)的模型。视网膜是具有数层神经元、感光层(例如包括杆细胞和/或锥细胞)和视网膜色素上皮(例如包括立方细胞)的光敏感层状结构。因此，在一些实施方式中，膜的面向中通道的表面可以涂覆有至少一层或多层(包括例如至少两层以上)视网膜相关的细胞。例如，在一个实施方式中，膜的面向中通道的表面可以涂覆有与包含感光细胞(例如杆和/或锥细胞)的至少一个细胞层重叠的底层视网膜上皮细胞。膜的面向微通道的另一表面可涂覆有本文所述的血管相关细胞或没有本文所述的血管相关细胞。
[0379] 在一些实施方式中，具有玻璃体粘度的液态流体可流经中通道，而诸如细胞培养基和/或血液的液态流体可流经微通道。
[0380] 视网膜组织模仿装置可用于建立视网膜相关疾病的模型，包括例如但不限于色素性视网膜炎、黄斑变性、锥-视杆营养不良(CORD)、高血压性视网膜病、糖尿病性视网膜病、视网膜母细胞瘤、视网膜发育不良、进行性视网膜萎缩以及它们的任意组合。
[0381] 在一些实施方式中，在建立组织的前部或后部模型的装置中使用的膜可以是多孔的，并且是刚性的或柔性的。
[0382] 除了前面所述建立肠的部分(例如小肠或大肠)模型之外，在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立与胃肠道或消化系统相关的器官的至少一部分的模型，所述器官包括例如但不限于口咽部、胃、食道、胰腺、直肠和肛门。在一些实施方式中，本文所述装置可用于建立胰腺组织的至少一部分模型，进而可以用于研究或模仿胰腺相关的生理相关条件(例如正常和/或病理状态)，用于本文所述的各种应用。较高的中通道可以为胰腺相关细胞(例如内分泌胰岛β细胞或外分泌腺泡细胞)提供低剪切应力，如同在天然生理环境中那样，任选地在正常血流动力学流条件下，连同血管内皮细胞内衬多孔膜的相对侧。可以使用本文所述装置建模的胰腺相关疾病或疾患的实例包括但不限于糖尿病、胰腺炎、囊性纤维化、胰腺癌以及它们的任意组合。
[0383] 在一些实施方式中，膜的面向中通道的表面可涂覆有胰腺相关细胞(例如胰岛或内分泌细胞和/或腺泡细胞)，而膜的面向微通道的另一表面可涂覆有血管相关细胞或没有血管相关细胞。
[0384] 在一些实施方式中，在建立胰腺组织模型的装置中使用的膜可以是多孔的，并且是刚性的或柔性的。
[0385] 本文提供了本文所述在装置在建立各种特定组织模型中的用途作为示例性实例，并不旨在以任何方式进行限制。所属领域的技术人员将认识到的是，鉴于本文提供的说明和实例，本文所述装置可适于模仿在任何活生物体中的组织或器官的任何部分的功能，所述生物体例如脊椎动物(例如但不限于人受试者或动物，如鱼类、鸟类、爬行动物和两栖动物)、无脊椎动物(例如但不限于原生动物、环节动物、软体动物、甲壳动物、蛛形纲动物、棘皮类动物和昆虫)、植物、真菌(例如但不限于蘑菇、霉菌和酵母)和微生物(例如但不限于细菌和病毒)。此外，技术人员可采用本文所述的使用方法，用于不同组织模仿装置的各种应用。
[0386] 根据本发明的一些实施方式，本文所述装置可用于模仿血脑屏障的功能。例如，可以将脑细胞(例如神经元和/或星形胶质细胞)培养在膜的一个表面，将血管相关细胞(例如内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、周皮细胞和/或它们的任意组合)培养在膜的另一表面。普遍认为，天然脑细胞通常暴露于更高的剪切应力下。因此，在一些实施方式中，向脑细胞施加机械应变/应力可用于代替高剪切流。
[0387] 制造本文所述装置的方法
[0388] 关于装置200是如何形成的细节，现在将根据实施方式进行讨论。本文所述各种装置的实施方式使我们能够利用微流控技术的控制并重构与原代细胞类型相关的器官水平的功能(例如气道上皮细胞的应变/呼吸)，而首次提供应力降低的环境和增加的生长上部空间，这只有在较大的中等尺度的通道内是可行的。在一些实施方式中，将两种技术用于制造本文所述的装置。在一个实施方式中，底部微通道大约100μm高，可以使用任何常规的制造方法来制造，其包括例如注射成型、压花、蚀刻、铸造、机加工、冲压、层压、照片平印技术或者它们的任意组合。在一个实施方式中，底部微通道是由包括传统照片平印技术的工艺制造的，该技术有效用于生产十至数百微米的流体特征。如图3A所示，照片平印技术的最终结果是将微通道设计凸起至预定高度的硅晶片(例如约25μm至约1000μm)。在一个实施方式中，底部微通道是由包括软平板印刷技术的工艺制造的，其细节在Whitesides等出版的年度综述“Soft Lithography in Biology and Biochemistry”，Biomed Engineering，3.335-3.373(2001)以及Thangawng等，“An Ultra-Thin PDMS Membrane As A Bio/Micro-Nano Interface:Fabrication And Characterization”，Biomed Microdevices，第9卷，第
4期，2007，p：587-95中进行了描述，通过引用将两者并入本文。在设计为凸起特征的晶片制成之后，可以将可固化生物相容性聚合物(例如但不限于PDMS、聚氨酯、SEBS、聚丙烯以及它们的任意组合)浇铸到模具中，然后形成微通道。在一些实施方式中，底部微通道可使用本文所述的两种以上技术的组合来制造。
4期，2007，p：587-95中进行了描述，通过引用将两者并入本文。在设计为凸起特征的晶片制成之后，可以将可固化生物相容性聚合物(例如但不限于PDMS、聚氨酯、SEBS、聚丙烯以及它们的任意组合)浇铸到模具中，然后形成微通道。在一些实施方式中，底部微通道可使用本文所述的两种以上技术的组合来制造。
[0389] 在一个实施方式中，顶部中通道约1mm高，可以使用任何常规的制造方法来制造，包括例如注塑成型、压花、蚀刻、铸造、机加工、冲压、层压、照片平印技术或它们的任意组合。在一些实施方式中，使用照片平印技术制造顶部中通道可能并不理想，因为较大尺寸(例如在毫米范围内)的SU-8结构可具有材料缺陷。在一些实施方式中，由于其优异的表面光洁度和分辨率，无固体成型的制造技术(例如立体平印技术)可以用于制作中通道的模具。通常取决于机器，立体平印技术可以用于制造具有最小尺寸至少约20μm至约50μm特征的模具。立体平印技术工艺的实例示意图示于图3B中。在该工艺中，在照片平印技术中使用的硅晶片被固化的树脂层所取代。随着工艺的继续，通道的特征由激光进行蚀刻，并由此固化，其结果是完全由热塑性树脂制成了晶片状装置。
[0390] 本文所述装置的设计可以在3D CAD设计软件(例如SolidWorks)中绘制，然后由立体平印机读取并在热固性树脂中用紫外激光绘制。图片和最终模具示于图3C中。
[0391] 在一些实施方式中，操作通道的高度比中通道的高度小得多(例如，小2倍以上，例如小2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍、10倍以上)，本发明人惊奇地发现，立体平印技术可用于产生具有不同尺度特征的模具(例如中通道vs操作通道)。
[0392] 与随后浇注PDMS的具有微观结构的硅晶片相似，将PDMS浇注至整个热塑模具，然后形成中通道。除了PDMS以外，其它材料例如聚氨酯(例如参见PCT/US12/36920中使用聚氨酯材料生产微流控装置)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)(例如参见US2011/0085949使用热塑性弹性体生产微流控装置)、聚丙烯、硅或它们的任意组合。通过引用将专利申请的内容并入本文。
[0393] 不希望受到限制，在一些实施方式中，本文所述装置可作为单片装置来生产，或作为单独的组件(例如包含中通道的主体的第一部分、包含微通道的主体的第二部分和膜)生产，然后可以组装在一起以形成本文所述的装置。每个单独的组件可以通过常规的制造方法来制造，例如注塑成型、挤出、浇注、层压、压花、压缩成型、溶剂浇铸、累积式制造方法(例如3D打印)或者它们的任意组合。
[0394] 部分地根据中通道250A的高度，顶部外主体部分204的厚度可以为任意尺寸。在一些实施方式中，顶部外主体部分204的厚度可为约1mm至约100mm、或约2mm至约75mm、或者约3mm至约50mm、或约3mm至约25mm。在一个实施方式中，顶部外主体部分204的厚度可以为约
4.8mm。
4.8mm。
[0395] 部分地根据微通道250B的高度，底部外主体部分206的厚度可以为任意尺寸。在一些实施方式中，底部外主体部分206的厚度可为约50μm至约10mm、或约75μm至约8mm、或约100μm至约5mm、或约200μm至约2.5mm。在一个实施方式中，底部外主体部分206的厚度可为约1mm至约1.5mm。在一个实施方式中，底部外主体部分206的厚度可以为约0.2mm至约
0.5mm。
0.5mm。
[0396] 一旦形成顶部外主体部分204和底部外主体部分206并从它们各自的模具中取出，可以制造接入端口来接入通道。在一个实施方式中，使用0.5mm的活组织切片在90°处创建端口(图2C，上图)。这种流动的急剧改向可产生能够导致对细胞产生不期望的影响、局部压力变化和细胞聚集的力。另一种设计是以较低的角度冲孔(图2C，下图)。这可以减缓与完全垂直的冲孔相关的问题。在该实施方式中，接入端口(例如用于入口和出口)位于本文所述装置的侧面，从而入口通道和出口通道可以成小于90度的角度，例如约15度至约45度的范围内。在一个实施方式中，入口通道和出口通道可以成约25度的角度。
[0397] 膜208可以被工程化用于各种目的，一些在上面进行了讨论。例如，膜208上的孔可涂覆或填充有ECM分子或凝胶，例如MATRIGEL、层粘连蛋白、胶原蛋白、纤连蛋白、纤维蛋白、弹性蛋白等，这对于本领域技术人员而言是已知的。如图2D所示，可以通过将不同类型的细胞培养在膜208的每一侧，对组织-组织界面进行涂覆。特别地，如图2D所示，将一种类型的细胞涂覆在膜208的一侧，而将另一种类型的细胞涂覆在膜208的相对侧。
[0398] 如前面所述，膜208可以是刚性的或柔性的。在一些实施方式中，膜208可以是刚性的，例如聚碳酸酯或聚酯膜。在一些实施方式中，膜208可以是柔性的，例如PDMS膜。
[0399] 通常，膜208被夹在包含中通道250A的顶部外主体部分204和包含微通道250B的底部外主体部分206之间，从而使用适当的制造装备和技术使通道壁234、244以及外壁238、248对齐。此后，使用适当的粘合剂或环氧树脂、物理夹紧和/或两个PDMS表面之间的等离子键，将膜208固定至通道壁234、244和任选的外侧壁238、248，以便在膜与顶体主体部分204和底部主体部分206之间形成液封。
[0400] 例如，可以通过在膜与顶部主体部分和底部主体部分之间的化学键形成液封。在一个实施方式中，可以用粘附性化学涂层来创建化学键，所述涂层例如3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)，其可以在聚碳酸酯或聚酯膜与顶部主体部分和底部主体部分之间创建不可逆的键。参见例如Aran等，“Irreversible,direct bonding of nanoporous polymer membranes to PDMS or glass microdevices.”，Lab Chip.，2010年3月7日，10(5)：548-52，使用3-氨基丙基三乙氧基硅烷作为化学交联剂，将聚合物膜(例如聚醚砜和聚对苯二甲酸乙二醇酯)与PDMS和玻璃微流体通道整合。APTES工艺在图4A中进行了描述。
[0401] 在一些实施方式中，可以通过利用所有的膜-PDMS表面区域，夹紧顶部主体部分和底部主体部分204、206(例如PDMS部分)之间的膜来形成液封。可以通过将装置置于两个板(例如丙烯酸板)之间来实现夹紧顶部主体部分和底部主体部分204、206之间的膜。然后，可以用螺钉或夹子将板(例如丙烯酸板)夹在一起，如图4B所示。该方法可允许使用者在实验之后对膜上的细胞造成最小损害而接入膜，产生更高质量的图像。
[0402] 在一些实施方式中，其中，顶部主体部分和底部主体部分由PDMS制成，可以通过切割比PDMS表面积更小的膜，并将PDMS在膜周围用等离子体键合在一起，形成液封，如图4C所示。该方法可允许使用者在实验之后对膜上的细胞造成最小损害而接入膜，产生更高质量的图像。
[0403] 图20示出了具有根据实施方式的多个装置的系统的示意图。特别而言，如图20所示，系统700包括联接至一个或多个流体源704和外力源(例如压力源)(未示出)的一个或多个CPU 702，从而将前述元件连接至三个装置706A、706B和706C。应当指出的是，尽管在该实施方式中示出了三个装置706，但可以使用少于或多于三个的装置706。在系统700中，针对流体源704，三个装置中的两个(即706A和706B)并联连接；针对流体源704，装置706A和706C以串联方式连接。应当指出的是，所示出的配置仅是一个实例，根据应用可以利用任何其它类型的连接模式。在一些实施方式中，系统可以是在题为“Integrated human organ-on-chip microphysiological systems”的国际专利申请PCT/US12/68725中所述的系统，其中，可将一个或多个本文所述的装置以流体方式连接以形成系统。例如，如图19所示，可将约8-16个本文所述的装置以流体方式连接以形成维持在培育器中的一个或多个系统。
[0404] 在所示的实例中，来自流体源704的流体直接提供给装置706A和706B的流体入口。随着流体流经装置706A，它直接输出到装置706B和706C的流体入口端口。此外，从装置706B输出的流体与从装置706A输出的流体合并，流入装置706C。使用多个装置操作，能够使用传感器数据监视在流体通过另一受控环境之后，流体中或膜上的细胞是如何表现的。因此，该系统允许设置多个独立的“阶段”，其中，可以对每一阶段的细胞在模拟生理条件下的行为进行监测，并使用装置706进行控制。一个或多个装置串联连接，可以提供使用这些装置来研究细胞之间的化学联通。例如，一种细胞类型可以响应于暴露至特定流体而分泌蛋白A，从而含有所分泌的蛋白A的流体从一个装置中离开，然后暴露于另一装置中特定模式的另一种细胞类型中，从而可以对具有蛋白A的流体与在另一装置中的其它细胞的相互作用进行检测(例如旁分泌信号)。对于并联配置，在对多个装置中的细胞行为进行立即分析的效率增加方面，并联连接的一个或多个装置是有利的，而不是分别对通过各个装置的细胞行为进行分析。
[0405] 细胞因子的其它实例
[0406] 本文所使用的术语“细胞因子”是指能刺激、抑制和/或介导细胞过程的试剂，所述细胞过程包括例如但不限于增殖、分化、炎症、细胞凋亡、细胞代谢、细胞骨架调控、细胞粘附、细胞迁移、血管生成、DNA修复、蛋白质合成以及它们的任意组合。“细胞因子”可以是或包括小分子、生物分子(例如但不限于蛋白质、肽、核酸、脂质、碳水化合物、糖蛋白、糖脂、蛋白多糖、脂蛋白)、抗体、寡核苷酸、金属、维生素或它们的任意组合。例如，细胞因子可以包括但不限于生长促进剂、细胞分化剂、抗炎剂、促炎剂、细胞凋亡诱导剂、抗凋亡剂、促血管生成剂、抗血管生成剂或它们的任意组合。
[0407] 在一些实施方式中，细胞因子可包括促炎剂。本文所使用的术语“促炎剂”是指可以在细胞中直接或间接地诱导或介导炎症反应的试剂，或者直接或间接地参与炎症介体产生的试剂。各种促炎剂对本领域技术人员而言是已知的。作为说明，促炎剂包括但不限于：类花生酸，例如前列腺素(例如PGE2)和白三烯(例如LTB4)；气体(例如一氧化氮(NO))；酶(例如磷脂、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、COX-1和COX-2)；以及细胞因子，例如白介素(例如IL-lα、IL-lβ、IL-2、IL-3、IL-4、IL-5、IL-6、IL-8、IL-I0、IL-12和IL-18)、肿瘤坏死因子家族的成员(例如TNF-α、TNF-β和淋巴毒素β)、干扰素(例如IFN-β和IFN-γ)、粒细胞/巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)、转化生长因子(例如TGF-βl、TGF-β2和TGF-β3、白血病抑制因子(LTF)、睫状神经营养因子(CNTF)、迁移抑制因子(MTF)、单核细胞趋化蛋白(MCP-I)、巨噬细胞炎性蛋白(例如MIP-lα、MIP-lβ和MIP-2)、RANTES；以及环境或物理试剂，例如二氧化硅微粒和纳米颗粒和病原体。在一些实施方式中，可以将这些促炎剂的至少一种或多种加入至细胞培养基中，从而例如刺激或激发装置内的组织特异性细胞和/或免疫细胞，以模拟在体内的炎症反应或炎症相关的疾病、疾患或损伤。
[0408] 在一些实施方式中，细胞因子可包括抗炎剂。本文所使用的术语“抗炎剂”是指能够抵消促炎剂和/或炎性试剂以及介导炎性病症或反应的其它试剂的作用的试剂。抗炎剂的实例可以包括但不限于：如上所述的任何促炎剂的抑制剂，例如处于可溶性形式的受体、受体拮抗剂、适体、抗体或它们的任意组合；和/或可以在细胞中介导炎症通路的试剂，例如处于可溶性形式的蛋白、反义寡核苷酸、siRNA、shRNA、载体或它们的任意组合。例如，抗炎剂可以包括：能够抑制特定蛋白质功能和/或使诱导炎症的特定基因沉默的试剂；或者能够促进特定蛋白质功能和/或抑制炎症的特定基因表达的试剂。在一些实施方式中，抗炎剂可以是或包括类固醇、非类固醇抗炎药、止痛剂、至少一种或多种趋化因子(例如但不限于CXCL-8、CCL2、CCL3、CCL4、CCL5、CCL11和CXCL10)的抑制剂和/或COX-2抑制剂。各种抗炎剂对于本领域技术人员而言是已知的，例如在国际专利申请WO2004/082588中所描述的抗炎剂，通过引用将其内容并入本文；并且可以将各种抗炎剂加入至细胞培养基中，和/或用于刺激或激发装置内的组织特异性细胞和/或免疫细胞，引起抗炎响应。
[0409] 在一些实施方式中，细胞因子可包括生长促进剂。本文所使用的术语“生长促进剂”是指刺激细胞增殖的试剂。生长促进剂的实例可以包括但不限于本领域公认的任何生长因子，例如：骨形态发生蛋白(BMP)；脑源性神经营养因子(BDNF)；表皮生长因子(EGF)；促红细胞生成素(EPO)；成纤维细胞生长因子(FGF)；胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)；粒细胞集落刺激因子(G-CSF)；粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)；肝细胞生长因子(HGF)；肝癌源性生长因子(HDGF)；胰岛素样生长因子(IGF)；肌肉生长抑制素(GDF-8)；神经生长因子(NGF)和其它神经营养蛋白；血小板源性生长因子(PDGF)；血小板生成素(TPO)；转化生长因子α(TGF-α)；转化生长因子β(TGF-β)；血管内皮生长因子(VEGF)；胎盘生长因子(PlGF)；
激素、类固醇激素以及它们的任意组合。
激素、类固醇激素以及它们的任意组合。
[0410] 在一些实施方式中，细胞因子可包括如前所述的分化剂。可以根据不同类型的细胞(包括例如干细胞、以及未分化的或部分分化的细胞)，选择合适的分化剂。
[0411] 在一些实施方式中，细胞因子可包括细胞凋亡调控剂。本文所使用的术语“细胞凋亡调控剂”是指参与调控(例如抑制、减少、增加、促进)细胞凋亡的试剂。细胞凋亡通常被称为程序性细胞死亡的过程。细胞凋亡调控剂的实例包括但不限于Fas/CD95、TRAMP、TNF RI、DR1、DR2、DR3、DR4、DR5、DR6、FADD、RIP、TNF-α、Fas配体、抗Fas/CD95和其它TNF家族受体的抗体、TRAIL、抗TRAIL-R1或TRAIL-R2的抗体、Bcl-2、p53、BAX、BID、BAD、BAK、Akt、CAD、PI3激酶、PPI和半胱天冬酶蛋白。调控剂广义地包括TNF家族受体和TNF家族配体的激动剂和拮抗剂。细胞凋亡调控剂可以是可溶的或膜结合的(例如配体或受体)。
[0412] 在一些实施方式中，细胞因子可包括促血管生成剂。本文所使用的术语“促血管生成剂”是指直接或间接地刺激、增强和/或稳定血管生成的试剂。示例性的促血管生成剂包括但不限于VEGF、FGF、Ang1、Ang2、PDGF-BB以及它们的任意组合。
[0413] 在一些实施方式中，细胞因子可包括抗血管生成剂。本文所用的术语“抗血管生成剂”是指直接或间接地减少或抑制新血管的形成、和/或使所形成的血管不稳定的试剂。抗血管生成剂的实例包括但不限于：如上所述促血管生成剂的抑制剂和/或拮抗剂、可溶性VEGF受体、血管生成素2、TSP-1、TSP-2、血管抑素、内皮抑素、血管形成抑制素、血小板因子-4以及它们的任意组合。
[0414] 可以在以下任何编号的段落中对本文所述各个方面的实施方式进行定义：
[0415] 1.一种装置，所述装置包括：
[0416] a.主体，所述主体包括其中的中央通道；和
[0417] b.位于所述中央通道内并沿着平面的膜，所述膜被配置为分隔所述中央通道，以形成至少一个微通道和至少一个中通道，其中，所述中通道的高度实质上大于所述微通道的高度。
[0418] 2.如段落1所述的装置，其中，所述中通道与所述微通道的高度之比的范围为约2.5:1至约50:1。
[0419] 3.如段落1或2所述的装置，其中，所述中通道与所述微通道的高度之比的范围为约5:1至约25:1。
[0420] 4.如段落1-3中任一段所述的装置，其中，所述膜是刚性的。
[0421] 5.如段落1-3中任一段所述的装置，其中，所述膜是至少部分柔性的。
[0422] 6.如段落1-5中任一段所述的装置，其中，所述膜的厚度为约1μm至约100μm。
[0423] 7.如段落1-5中任一段所述的装置，其中，所述膜的厚度为约100nm至约50μm。
[0424] 8.如段落1-7中任一段所述的装置，其中，所述膜是非多孔的。
[0425] 9.如段落1-8中任一段所述的装置，其中，所述膜是至少部分多孔的。
[0426] 10.如段落9所述的装置，其中，所述膜的孔的直径为约0.1μm至约15μm。
[0427] 11.如段落9或10所述的装置，其中，孔的中心到中心的间距范围为约1μm至约100μm。
[0428] 12.如段落1-11中任一段所述的装置，其中，所述中通道的一端适于接合至气流调节装置。
[0429] 13.如段落12所述的装置，其中，所述气流调节装置适于提供单向气流或双向气流。
[0430] 14.如段落12或13所述的装置，其中，所述气流调节装置包含气体接收室，所述气体接收室具有至少一个由柔性隔膜封闭的端部。
[0431] 15.如段落14所述的装置，其中，所述气体接收室随着所述柔性隔膜的移动而膨胀或收缩。
[0432] 16.如段落1-15中任一段所述的装置，其中，所述中通道的另一端适于接合至气流发生器。
[0433] 17.如段落1-16中任一段所述的装置，其中，所述主体还适于在所述中央通道内提供所述膜的机械调节。
[0434] 18.如段落17所述的装置，其中，所述主体还包括第一操作通道，所述第一操作通道通过第一通道壁与所述微通道和所述中通道分隔开，其中，所述膜的第一边缘被固定至所述第一通道壁，并且所述膜的第二边缘被固定至所述中央通道对面的壁；并且其中，所述第一操作通道位于所述膜周围，从而施加至所述第一操作通道与所述中央通道之间的压力差使得所述膜沿着所述中央通道内的所述平面在第一期望方向上伸展或缩回。
[0435] 19.如段落18所述的装置，其中，所述主体还包括第二操作通道，所述第二操作通道通过第二通道壁与所述微通道和所述中通道分隔开，其中，所述膜的第二边缘被固定至所述第二通道壁；并且其中，所述第二操作通道位于所述膜周围，从而施加至所述第二操作通道与所述中央通道之间的压力差使得所述膜沿着所述中央通道内的所述平面在第二期望方向上伸展或缩回。
[0436] 20.如段落18或19所述的装置，其中，所述第一操作通道的第一高度和所述第二操作通道的第二高度小于所述中央通道的高度。
[0437] 21.如段落18-20中任一段所述的装置，其中，所述第一操作通道和所述第二操作通道的至少一个或两者对称地排列在所述膜周围。
[0438] 22.如段落1-21中任一段所述的装置，其中，所述微通道的高度范围为约20μm至约1mm。
[0439] 23.如段落1-21中任一段所述的装置，其中，所述微通道的高度范围为约50μm至约200μm。
[0440] 24.如段落1-23中任一段所述的装置，其中，所述中通道的尺寸被配置为提供适于细胞生长和/或细胞分化的流体剪切应力。
[0441] 25.如段落1-24中任一段所述的装置，其中，所述中通道的高度足以形成复层组织或三维组织。
[0442] 26.如段落1-25中任一段所述的装置，其中，所述中通道的高度与所述中央通道的宽度之间的长宽比范围为约1:5至约25:1。
[0443] 27.如段落1-26中任一段所述的装置，其中，所述中通道的高度范围为约100μm至约50mm。
[0444] 28.如段落1-27中任一段所述的装置，其中，所述中央通道的宽度范围为约200μm至约10mm。
[0445] 29.如段落1-28中任一段所述的装置，其中，所述膜的至少一个表面包含粘附至其上的细胞。
[0446] 30.如段落29所述的装置，其中，所述细胞形成一个或多个细胞层。
[0447] 31.如段落29或30所述的装置，其中，所述细胞选自于由哺乳动物细胞、植物细胞、昆虫细胞以及它们的任意组合所组成的组。
[0448] 32.如段落31所述的装置，其中，所述哺乳动物细胞包括人类细胞。
[0449] 33.如段落31所述的装置，其中，所述哺乳动物细胞包括动物细胞。
[0450] 34.如段落29-33中任一段所述的装置，其中，所述细胞显示出对应于预先确定的生理终点的至少一个特性。
[0451] 35.如段落34所述的装置，其中，所述预先确定的生理终点选自于由以下状态组成的组：成熟状态、分化状态、前体状态、复层状态、假复层状态、融汇状态、发炎状态、感染状态、受激状态、激活状态、抑制状态、正常健康状态、疾病特异性状态、生长状态、迁移状态、变态状态或它们的任意组合。
[0452] 36.如段落35所述的装置，其中，所述疾病特异性状态为疾病、疾患或损伤的特定阶段。
[0453] 37.如段落35或36所述的装置，其中，所述疾病特异性状态包括癌状态。
[0454] 38.如段落35-37中任一段所述的装置，其中，所述疾病特异性状态与肠疾病相关，所述肠疾病选自于由以下肠疾病组成的组：炎性肠病、Crohn病、溃疡性结肠炎、乳糜泻、血管发育不良、阑尾炎、肠扭转、慢性功能性腹痛、腹腔疾病、结直肠癌、憩室病、子宫内膜异位、肠道病毒、肠胃炎、Hirschsprung病、回肠炎、肠易激综合征、息肉、伪膜性结肠炎或它们的任意组合。
[0455] 39.如段落35-37中任一段所述的装置，其中，所述疾病特异性状态与肺疾病相关，所述肺疾病选自于由以下肺疾病组成的组：哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺动脉高压、辐射诱导损伤、囊性纤维化或它们的任意组合。
[0456] 40.如段落35-37中任一段所述的装置，其中，所述疾病特异性状态与空气传播疾病相关。
[0457] 41.如段落40所述的装置，其中，所述空气传播疾病为细菌感染或病毒感染。
[0458] 42.如段落29-41中任一段所述的装置，其中，所述细胞的至少一部分选自于由以下细胞组成的组：上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、基底细胞、纤毛细胞、黏液分泌细胞、柱状细胞、杯状细胞、肌肉细胞、免疫细胞、神经细胞、造血细胞、肺细胞(例如肺泡上皮细胞、气道细胞、支气管细胞、气管细胞和鼻上皮细胞)、消化道细胞、肠细胞、脑细胞、干细胞、皮肤细胞、肝细胞、心脏细胞、脾细胞、肾细胞、胰腺细胞、生殖细胞、血细胞(包括例如白细胞、红细胞、血小板和造血干细胞以及祖细胞)以及它们的任意组合。
[0459] 43.如段落29-42中任一段所述的装置，其中，对所述细胞加以选择以创建对组织的至少一部分的细胞行为进行模仿的体外模型。
[0460] 44.如段落43所述的装置，其中，所述组织选自于由以下组织所组成的组：气道、支气管、肠、皮肤、脉络丛、肝脏、心脏和胃肠道。
[0461] 45.如段落29-44中任一段所述的装置，其中，所述膜面向所述中通道的第一表面包含组织特异性细胞，所述组织特异性细胞需要低剪切和/或空间以形成复层组织。
[0462] 46.如段落45所述的装置，其中，所述组织特异性细胞包括上皮细胞、基底细胞、纤毛细胞、柱状细胞、杯状细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞或者它们的任意组合。
[0463] 47.如段落45或46所述的装置，其中，对所述组织特异性细胞加以选择以创建对气道的至少一部分的细胞行为进行模仿的体外模型，所述细胞包括气道上皮细胞、支气管上皮细胞、鼻上皮细胞、或者它们的任意组合。
[0464] 48.如段落29-47中任一段所述的装置，其中，所述膜面向所述微通道的第二表面包含血管相关的细胞。
[0465] 49.如段落48所述的装置，其中，所述血管相关的细胞包括内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、周皮细胞或它们的任意组合。
[0466] 50.如段落1-49中任一段所述的装置，其中，所述膜涂覆有至少一种细胞粘附剂。
[0467] 51.如段落50所述的装置，其中，所述至少一种细胞粘附剂包含细胞外基质分子。
[0468] 52.如段落51所述的装置，其中，所述细胞外基质分子包括糖蛋白、胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、玻连蛋白、弹性蛋白、纤维蛋白、蛋白聚糖、硫酸肝素、硫酸软骨素、硫酸角质素、透明质酸、纤维蛋白、壳聚糖或它们的任意组合。
[0469] 53.如段落1-52中任一段所述的装置，其中，所述膜和/或所述装置的主体包含生物相容性聚合物。
[0470] 54.如段落53所述的装置，其中，所述生物相容性聚合物包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯、硅或它们的任意组合。
[0471] 55.如段落1-54中任一段所述的装置，其中，所述膜和/或所述装置的主体包含细胞外基质聚合物、凝胶或支架。
[0472] 56.如段落1-55中任一段所述的装置，其中，所述中央通道是线性的。
[0473] 57.如段落1-55中任一段所述的装置，其中，所述中央通道包含非线性部分。
[0474] 58.如段落1-57中任一段所述的装置，其中，所述第一操作通道和/或第二操作通道的高度大于所述中央通道的高度。
[0475] 59.如段落1-57中任一段所述的装置，其中，所述第一操作通道和/或第二操作通道的高度实质上与所述中央通道的高度相同，或小于所述中央通道的高度。
[0476] 60.一种方法，所述方法包括：
[0477] 提供至少一个装置，所述装置包括：
[0478] a.主体，所述主体包括其中的中央通道；以及
[0479] b.位于所述中央通道内并沿着平面的至少部分多孔的膜，所述膜被配置为将所述中央通道分隔开，以形成第一子通道和第二子通道，其中，至少所述第一子通道具有足以形成复层结构的高度；
[0480] 将组织特异性细胞接种在所述膜面向所述第一子通道的第一表面上；以及[0481] 在气-液界面处培养所述第一表面上的所述组织特异性细胞。
[0482] 61.如段落60所述的方法，其中，在所述气-液界面处进行所述培养之前，所述组织特异性细胞形成第一细胞单层。
[0483] 62.如段落61所述的方法，其中，所述第一细胞单层是通过对浸没在所述第一子通道内的第一液态流体中的所述组织特异性细胞进行培养而形成的。
[0484] 63.如段落60-62中任一段所述的方法，其中，所述气-液界面是通过使所述第一子通道中具有气态流体并且使所述第二子通道中具有第二液态流体而形成的。
[0485] 64.如段落63所述的方法，其中，所述第二液态流体包含至少一种分化诱导剂。
[0486] 65.如段落60-64中任一段所述的方法，其中，在所述气-液界面处经过一段时间的所述培养，所述组织特异性细胞的至少一部分达到了预先确定的生理终点。
[0487] 66.如段落60-65中任一段所述的方法，所述方法还包括使气态流体流经所述第一子通道。
[0488] 67.如段落60-66中任一段所述的方法，所述方法还包括使液态流体流经所述第二子通道。
[0489] 68.一种方法，所述方法包括：
[0490] 提供至少一个装置，所述装置包括：
[0491] a.主体，所述主体包含其中的中央通道；以及
[0492] b.位于所述中央通道内并沿着平面的至少部分多孔的膜，所述膜被配置为将所述中央通道分隔开，以形成第一子通道和第二子通道，其中，至少所述第一子通道具有足以形成复层结构的高度；以及
[0493] c.在所述膜面向所述第一子通道的第一表面上的组织特异性细胞，其中，所述细胞显示出对应于预先确定的生理终点的至少一个特性，
[0494] 使气态流体流经所述第一子通道；以及
[0495] 使液态流体流经所述第二子通道。
[0496] 69.如段落66-68中任一段所述的方法，其中，所述气态流体保持静态流动。
[0497] 70.如段落66-68中任一段所述的方法，其中，使所述气态流体连续地流经所述第一子通道。
[0498] 71.如段落66-68中任一段所述的方法，其中，使所述气态流体间歇地或周期性地流经所述第一子通道。
[0499] 72.如段落60-71中任一段所述的方法，其中，所述第一子通道的高度被配置为提供适于细胞生长和/或细胞分化的空气剪切应力。
[0500] 73.如段落72所述的方法，其中，所述空气剪切应力的范围为约0.01dyne/cm2至约2000dyne/cm2。
[0501] 74.如段落60-73中任一段所述的方法，其中，所述第一子通道的高度为至少约100μm或约500μm。
[0502] 75.如段落60-74中任一段所述的方法，其中，所述第二子通道的高度实质上小于所述第一子通道的高度。
[0503] 76.如段落75所述的方法，其中，所述第二子通道的高度为约20μm至约1mm、或约50μm至约200μm。
[0504] 77.如段落60-76中任一段所述的方法，其中，所述第二子通道的高度实质上与所述第一子通道的高度相同。
[0505] 78.如段落60-77中任一段所述的方法，其中，所述预先确定的生理终点选自于由以下状态组成的组：成熟状态、分化状态、前体状态、复层状态、假复层状态、融汇状态、发炎状态、感染状态、受激状态、激活状态、抑制状态、正常健康状态、疾病特异性状态、生长状态、迁移状态、变态状态或它们的任意组合。
[0506] 79.如段落78所述的方法，其中，所述疾病特异性状态是疾病、疾患或损伤的特定阶段。
[0507] 80.如段落78或79所述的方法，其中，所述疾病特异性状态包括癌状态。
[0508] 81.如段落65-80中任一段所述的方法，其中，通过与所述预先确定的生理终点相关的至少一个标记物的存在来对所述预先确定的生理终点进行检测。
[0509] 82.如段落60-81中任一段所述的方法，其中，所述组织特异性细胞包括哺乳动物细胞。
[0510] 83.如段落60-82中任一段所述的方法，其中，所述组织特异性细胞包括气道上皮细胞、支气管上皮细胞和/或鼻上皮细胞。
[0511] 84.如段落83所述的方法，其中，所述气道上皮细胞或支气管上皮细胞的所述生理终点为所述气道上皮细胞或支气管上皮细胞向纤毛细胞和/或黏液分泌细胞的分化。
[0512] 85.如段落84所述的方法，其中，通过纤毛相关标记物、杯状细胞相关标记物、以及紧密连接相关的标记物中的至少一种的存在来对所述分化状态进行检测。
[0513] 86.如段落60-85中任一段所述的方法，所述方法还包括使用视黄酸对分化的细胞进行处理。
[0514] 87.如段落86所述的方法，其中，所述视黄酸逆转了鳞状表型。
[0515] 88.如段落60-87中任一段所述的方法，其中，所述第一子通道的一端适于接合至气流调节装置。
[0516] 89.如段落88所述的方法，其中，所述气流调节装置适于提供所述气态流体的单向流动和/或双向流动。
[0517] 90.如段落89所述的方法，其中，所述气态流体的双向流动模拟了呼吸过程中的气流。
[0518] 91.如段落88-90中任一段所述的方法，其中，所述气流调节装置包括气体接收室，所述气体接收室的至少一端被柔性隔膜封闭。
[0519] 92.如段落91所述的方法，其中，所述气体接收室随所述柔性隔膜的移动而膨胀或收缩。
[0520] 93.如段落60-92中任一段所述的方法，所述方法还包括检测流经所述第一子通道的粒子的纤毛清除。
[0521] 94.如段落60-93中任一段所述的方法，所述方法还包括在所述膜面向所述第二子通道的第二表面上形成第二细胞层。
[0522] 95.如段落94所述的方法，其中，所述第二细胞层包含血管相关的细胞。
[0523] 96.如段落95所述的方法，其中，所述血管相关的细胞包括内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、周皮细胞或它们的任意组合。
[0524] 97.如段落60-96中任一段所述的方法，所述方法还包括在所述中央通道内创建模仿组织特异性病症(例如，处于正常健康状态或处于疾病特异性状态)的体外模型。
[0525] 98.如段落97所述的方法，其中，所述组织特异性细胞适于显示出与处于疾病特异性状态的所述组织特异性症状相关的至少一个特性。
[0526] 99.如段落98所述的方法，其中，所述组织特异性细胞为分离自至少一个受试者的疾病特异性细胞。
[0527] 100.如段落98所述的方法，其中，所述组织特异性细胞与病症诱导剂接触，所述病症诱导剂能够诱导所述组织特异性细胞，以获得与所述疾病特异性状态相关的至少一个特性。
[0528] 101.如段落100所述的方法，其中，所述病症诱导剂包括物理试剂或环境刺激(例如，辐射或气流节律)。
[0529] 102.如段落100或101所述的方法，其中，所述病症诱导剂包括化学试剂和/或生物试剂(例如，病原体和/或促炎剂)。
[0530] 103.如段落97-102中任一段所述的方法，其中，所述组织特异性病症与肺部疾病、疾患和/或损伤、或者空气传播疾病相关。
[0531] 104.如段落103所述的方法，其中，被选择用于对与肺部疾病、疾患和/或损伤或空气传播疾病相关的所述病症进行模仿的所述组织特异性细胞包括气道上皮细胞、支气管上皮细胞和/或鼻上皮细胞。
[0532] 105.如段落103或104所述的方法，其中，所述肺部疾病、疾患和/或损伤选自于由急性肺损伤、慢性肺部疾患、肺部感染和肺癌组成的组。
[0533] 106.如段落103所述的方法，其中，所述空气传播疾病是病毒感染或细菌感染。
[0534] 107.如段落105所述的方法，其中，所述急性肺损伤包括由细菌性败血症、出血性休克、中毒性吸入、药物诱导的肺损伤(例如，博莱霉素诱导的肺损伤)或它们的任意组合导致的肺损伤。
[0535] 108.如段落105所述的方法，其中，所述慢性肺部疾患包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘、囊性纤维化、纤维化病症、结节病、特发性肺纤维化。
[0536] 109.如段落97-102中任一段所述的方法，其中，所述组织特异性病症与肠道疾病或疾患相关。
[0537] 110.如段落109所述的方法，其中，被选择对与所述肠道疾病或疾患相关的病症进行模仿的所述组织特异性细胞包括肠细胞、结肠细胞、阑尾细胞、回肠细胞、盲肠细胞、十二指肠细胞、空肠细胞或它们的任意组合。
[0538] 111.如段落109或110所述的方法，其中，所述肠道疾病、疾患和/或损伤选自于由以下各段组成的组：炎性肠病、Crohn病、溃疡性结肠炎、乳糜泻、血管发育不良、阑尾炎、肠扭转、慢性功能性腹痛、腹腔疾病、结直肠癌、憩室病、子宫内膜异位、肠道病毒、肠胃炎、Hirschsprung病、回肠炎、肠易激综合征、息肉、伪膜性结肠炎或它们的任意组合。
[0539] 112.如段落60-111中任一段所述的方法，所述方法还包括将所述组织特异性细胞与测试试剂相接触。
[0540] 113.如段落112所述的方法，其中，所述组织特异性细胞通过作为气溶胶或液体经所述第一子通道输送、和/或通过从所述第二子通道扩散，而与所述测试试剂接触。
[0541] 114.如段落112或113所述的方法，其中，所述测试试剂选自于由以下试剂组成的组：蛋白质、肽、核酸、抗原、纳米粒子、环境毒素或污染物、香烟烟雾、在化妆品中使用的粒子或化学品、小分子、药物或候选药物、疫苗或候选疫苗、气溶胶、促炎剂、包括花粉在内的天然存在的粒子、化学武器、病毒、细菌、单细胞生物、细胞因子以及它们的任意组合。
[0542] 115.如段落112-114中任一段所述的方法，所述方法还包括进行药代动力学、药效学、或药代动力学-药效学(PK-PD)试验和/或所述测试试剂对所述细胞的作用分析，从而确定所述测试试剂对所述细胞的体外药代动力学和/或药效学作用。
[0543] 116.如段落112-115中任一段所述的方法，所述方法还包括测量在所述膜的至少一侧上的所述细胞对以下各段的响应：所述测试试剂、离开所述第一子通道的所述气态流体、离开所述第二子通道的所述液态流体或者它们的任意组合。
[0544] 117.如段落116所述的方法，其中，对所述细胞的响应进行的所述测量包括测量流经所述第二子通道的免疫细胞粘附作用、细胞标记、免疫染色、光学成像或显微成像(例如，免疫荧光显微术和/或扫描电子显微术)、基因表达分析、细胞因子/趋化因子分泌分析、代谢物分析、聚合酶链反应、免疫测定、ELISA、基因阵列或者它们的任意组合。
[0545] 118.如段落116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各段的测量确定了所述测试试剂对所述细胞的作用：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
[0546] 119.如段落118所述的方法，其中，所述作用包括纤毛清除、细胞活力、细胞层渗透性、细胞形态、蛋白质表达、基因表达、细胞粘附作用、免疫细胞粘附性、细胞分化、细胞因子或趋化因子生成、炎症或它们的任意组合。
[0547] 120.如段落116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各段的测量确定了所述测试试剂的效力：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
[0548] 121.如段落116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各段的测量确定了所述测试试剂的毒性：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
[0549] 122.如段落116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各段的测量确定了所述测试试剂的效力机制或毒性机制：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
[0550] 123.如段落116或117所述的方法，其中，在暴露于所述测试试剂后，对以下各段的测量确定了物理-化学参数、药代动力学参数或药效学参数：所述细胞的响应；或存在于所述装置内的流体中的至少一种组分；或存在于从所述装置输出的流体中的至少一种组分。
[0551] 124.如段落112-123中任一段所述的方法，其中，当所述组织特异性细胞适于病症特异性时，对所述测试试剂的作用进行的所述测定鉴别出用于治疗所述病症的治疗剂。
[0552] 125.如段落112-123中任一段所述的方法，其中，当所述组织特异性细胞具有患者特异性时，对所述测试试剂的作用进行的所述测定鉴别出用于受试者的个性化治疗。
[0553] 126.如段落112-123中任一段所述的方法，其中，当所述组织特异性细胞具有患者群体特异性时，对所述测试试剂的作用进行的所述测定鉴别出针对该特定患者亚群具有特异性的治疗。
[0554] 127.如段落60-126中任一段所述的方法，所述方法还包括使免疫细胞流经所述第二子通道。
[0555] 128.如段落127所述的方法，其中，在所述第一子通道中的所述组织特异性细胞和在所述第二子通道中流动的所述免疫细胞形成了体外黏膜免疫模型。
[0556] 129.如段落128所述的方法，其中，所述黏膜免疫模型适于确定疫苗的效力或免疫原性。
[0557] 130.如段落127-129中任一段所述的方法，所述方法还包括测量所述免疫细胞的响应。
[0558] 131.如段落130所述的方法，其中，所述免疫细胞的响应包括跨上皮迁移、成熟、活化、细胞杀伤和/或排液。
[0559] 132.如段落60-131中任一段所述的方法，所述方法还包括将所述至少一个装置连接至第二装置，所述第二装置包括：
[0560] 第二主体，所述第二主体包括其中的第二中央通道；以及
[0561] 位于所述第二中央通道内并沿第二平面的第二膜，所述第二膜被配置为将所述第二中央通道分隔开，以形成第一子通道和第二子通道，其中，至少所述第一子通道具有足以形成复层结构的高度；以及
[0562] 在所述第二膜面向所述第一子通道的第一表面上的第二组织特异性细胞，其中，所述第二组织特异性细胞显示出对应于第二预先确定的生理终点的至少一个特性。
[0563] 133.如段落132所述的方法，所述方法还包括将来自所述至少一个装置的所述第一子通道的空气流送往所述第二装置的所述第一子通道。
[0564] 134.如段落132或133所述的方法，其中，在所述至少一个装置中的所述组织特异性细胞包括病原体感染的细胞，并且在所述第二装置中的所述第二组织特异性细胞为正常健康细胞。
[0565] 135.如段落132-134中任一段所述的方法，所述方法还包括测量所述病原体感染的细胞在暴露于所述空气流时的响应。
[0566] 136.如段落132-135中任一段所述的方法，所述方法还包括测量所述正常健康细胞在暴露于来自所述至少一个装置的所述第一子通道的所述空气流时的响应。
[0567] 137.如段落136所述的方法，其中，所测量的所述正常健康细胞的响应确定了空气传播病原体的传递性。
[0568] 138.如段落60-137中任一段所述的方法，其中，所述膜是刚性的。
[0569] 139.如段落60-137中任一段所述的方法，其中，所述膜是至少部分柔性的。
[0570] 140.如段落60-139中任一段所述的方法，所述方法还包括机械地对所述膜进行调控以使其在所述中央通道内移动或变形。
[0571] 141.如段落140所述的方法，其中，对所述膜进行的所述机械调节模拟了生理应变。
[0572] 142.如段落141所述的方法，其中，所述模拟的生理应变实质上等同于由与呼吸、蠕动或心脏跳动相关的运动产生的应变。
[0573] 143.如段落140-142中任一段所述的方法，其中，通过气动机构对所述膜进行机械调节。
[0574] 144.如段落143所述的方法，其中，所述装置还包括第一操作通道，所述第一操作通道通过第一通道壁与所述第二和第一子通道分隔开，其中，所述膜的第一边缘被固定至所述第一通道壁，并且所述膜的第二边缘被固定至所述中央通道对面的壁；并且其中，所述第一操作通道具有小于所述中央通道的高度的第一高度。
[0575] 145.如段落144所述的方法，其中，所述装置还包括第二操作通道，所述第二操作通道通过第二通道壁与所述第二和第一子通道分隔开，其中，所述膜的第二边缘被固定至所述第二通道壁；并且其中，所述第二操作通道具有小于所述中央通道的高度的第二高度。
[0576] 146.如段落144或145所述的方法，所述方法还包括在所述第一操作通道和所述中央通道之间施加第一压力差，以使所述膜沿着所述中央通道内的所述平面伸展或缩回。
[0577] 147.如段落145-146中任一段所述的方法，所述方法还包括在所述第二操作通道和所述中央通道之间施加第二压力差，以使所述膜沿着所述中央通道内的所述平面伸展或缩回。
[0578] 148.如段落146或147所述的方法，其中，所述施加第一压力差或第二压力差包括：在所述第一操作通道或所述第二操作通道内施加周期性压力，从而使得固定至所述第一通道壁的所述膜的所述第一边缘和/或固定至所述第二通道壁的所述膜的所述第二边缘沿着所述中央通道内的所述平面伸展或缩回。
[0579] 149.如段落60-148中任一段所述的方法，其中，在所述第二子通道中的所述液态流体包括细胞培养基和/或生物流体。
[0580] 150.如段落149所述的方法，其中，所述生物流体包括血液。
[0581] 151.一种制造微流控装置的方法，所述微流控装置包含微结构和中结构，其中，所述中结构的尺寸实质上大于所述微结构的尺寸，所述方法包括：
[0584] 152.如段落151所述的方法，其中，所述中结构与所述微结构的尺寸相差至少2倍。
[0585] 153.如段落151或152所述的方法，所述方法还包括通过在所述半导体晶片模具中进行铸造，以形成所述微结构。
[0586] 154.如段落151-153中任一段所述的方法，所述方法还包括通过在所述热塑性模具中进行铸造，以形成所述中结构。
[0587] 155.如段落154所述的方法，其中，所述形成的中结构具有光滑的表面光洁度。
[0588] 156.如段落155所述的方法，其中，所述中结构的光滑的表面光洁度利于结合至所述微结构。
[0589] 157.如段落151-156中任一段所述的方法，其中，所述中结构为位于第一基底的底部表面内的中通道。
[0590] 158.段落151-157中任一段所述的方法，其中，所述微结构为位于第二基底的顶部表面内的微通道。
[0591] 159.如段落157或158所述的方法，所述方法还包括将至少部分多孔的膜置于所述微通道的所述顶部表面和所述中通道的所述底部表面之间；并且在所述膜与所述第一基底和所述第二基底之间形成液封，从而形成在其中具有中央通道的所述装置的主体，其中，所述中央通道包括由所述膜分隔开的所述微通道和所述中通道。
[0592] 160.如段落159所述的方法，其中，所述形成液封包括在所述膜与所述第一基底和所述第二基底之间形成化学键。
[0593] 161.如段落160所述的方法，其中，通过使用粘附性化学涂层来形成所述化学键，从而将所述膜共价地键合至所述第一基底的底部表面和所述第二基底的顶部表面。
[0594] 162.如段落161所述的方法，其中，所述粘附性化学涂层包含(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)。
[0595] 163.如段落159-162中任一段所述的方法，其中，所述液封是可逆的，从而使得所述膜能够从所述装置上移除，用于检查。
[0596] 164.如段落163所述的方法，其中，所述形成液封包括将在所述第一基底和所述第二基底之间的所述膜夹持在一起。
[0597] 165.如段落159-164中任一段所述的方法，其中，所述形成液封包括在所述第一基底的顶部表面和所述第二基底的底部表面之间形成等离子键。
[0598] 166.如段落157-165中任一段所述的方法，其中，所述第一基底、所述第二基底和/或所述膜包含聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、硅或它们的任意组合。
[0599] 167.一种开发疫苗的方法，所述方法包括：
[0600] 提供至少一个装置，所述装置包括：
[0601] a.主体，所述主体包含其中的中央通道；以及
[0602] b.位于所述中央通道内并沿着平面的至少部分多孔的膜，所述膜被配置为将所述中央通道分隔开，以形成第一子通道和第二子通道，其中，至少所述第一子通道具有足以形成复层结构的高度；以及
[0603] c.在所述膜面向所述第一子通道的第一表面上的组织特异性上皮细胞，
[0604] 使气态流体流经所述第一子通道；
[0605] 使包含免疫细胞的液态流体流经所述第二子通道；
[0606] 使所述组织特异性上皮细胞与候选疫苗接触；
[0607] 使所述接种疫苗的组织特异性上皮细胞与微生物接触；
[0608] 测量所述组织特异性上皮细胞对所述微生物的响应，从而确定所述候选疫苗对所述微生物的效力。
[0609] 168.如段落167所述的方法，其中，所述组织特异性上皮细胞以不同剂量与候选疫苗接触，从而确定所述候选疫苗对所述微生物的最佳剂量。
[0610] 169.如段落167或168所述的方法，所述方法还包括测量所述免疫细胞的响应。
[0611] 170.如段落169所述的方法，其中，所述免疫细胞的响应包括跨上皮迁移、成熟、活化、细胞杀伤和/或排液。
[0612] 171.如段落60-170中任一段所述的方法，其中，所述中央通道是线性的。
[0613] 172.如段落60-170中任一段所述的方法，其中，所述中央通道包括非线性部分。
[0614] 173.如段落144-148中任一段所述的方法，其中，所述第一操作通道和/或所述第二操作通道的高度大于所述中央通道的高度。
[0615] 174.如段落144-148中任一段所述的方法，其中，所述第一操作通道和/或所述第二操作通道的高度实质上等于或小于所述中央通道的高度。
[0616] 除非另有定义，本文中使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
[0618] 除了在操作实施例中或另有指示的地方，本文所用的表示成分或反应条件的量的全部数值在所有情况下都应该被理解为被术语“约”修饰。与百分比相连使用的术语“约”可意味着±5％。
[0619] 在一方面，本发明涉及组合物、方法及其各自的组成部分，所述组成部分对所述方法或组合物是必要的，并且无论是否必要都仍然对未指定的要素保持开放(“包含/包括(comprising)”)。在一些实施方式中，将包含在组合物、方法或各自的组成部分的说明中的其它要素被限定为实质上不影响本发明基础和新颖性特征的要素(“基本上由...组成”)。这同样适用于在所述方法中的步骤、及其组合物和组分。在其它实施方式中，本文所述的发明、组合物、方法和各自的组成部分旨在排除对于组成部分、组合物或方法而言并非必要的任何要素(“由...组成”)。
[0620] 出于描述和公开的目的，通过引用明确地将所有专利、专利申请和公开文本并入本文，例如，可能与本发明结合使用的在该出版物中所述的方法学。仅仅是由于其公开早于本申请的申请日而提供这些出版物。在这方面，任何内容都不应被解释为承认本发明人无权通过先前发明或任何其它原因来先于这些公开内容。这些文件的日期的所有声明或内容的表述基于申请人可用的信息，并不构成对这些文件的日期或内容的正确性的任何承认。
[0621] 实施例
[0622] 以下实施例阐述了本发明的一些实施方式和方面。对于相关领域技术人员而言显而易见的是，可以在不改变本发明的精神或范围下进行各种改进、添加和替换等，并且这种改进和变化均涵盖在所附权利要求中所限定的本发明的范围内。以下实施例不以任何方式限制本发明。
[0623] 实施例1：人原代气道(例如小气道)上皮细胞分化为纤毛、黏液分泌和Clara细胞[0624] 在transwell系统中分化气道上皮细胞的方法先前已经进行了描述(Villenave等，PNAS 2012，109(13)5040-5045；和Villenave等，J.Virol.，2010，84(22)11718-11728)。然而，尚无在微流控装置中分化原代人气道上皮细胞的技术和方法。下面介绍的是分化人原代气道上皮细胞(例如原代小气道上皮细胞)的实施例方案。
[0625] 1号培养基
[0626] 支气管上皮细胞基础培养基(BEBM)500mL(Lonza；Cat#CC-3171)加上BEGM SingleQuot Kit Suppl.&Growth Factors(Lonza；Cat#CC-4175)；这些补充剂如下所示：
[0627] 1.BPE，约2ml
[0628] 2.氢化可的松，约0.5mL
[0629] 3.hEGF(人表皮生长因子)，0.5ml
[0630] 4.肾上腺素，约0.5mL
[0631] 5.转铁蛋白，约0.5mL
[0632] 6.胰岛素，约0.5mL
[0633] 7.视黄酸，约0.5mL
[0634] 8.三碘甲状腺原氨酸(T3)，约0.5mL
[0635] 9.GA-1000(庆大霉素)，约0.5mL
[0636] 2号培养基
[0637] BEBM 250mL(Lonza；Cat#CC-3171)加上补充有1％v/v青霉素/链霉素的DMEM 250mL(LifeTechnologies，Cat#11885-092)，加上以下补充剂&生长因子：
[0638] 1.BPE，约2ml
[0639] 2.氢化可的松，约0.5mL
[0640] 3.hEGF(人表皮生长因子)，约0.5mL
[0641] 4.肾上腺素，约0.5mL
[0642] 5.转铁蛋白，约0.5mL
[0643] 6.胰岛素，约0.5mL
[0644] 7.BSA(牛血清白蛋白)，约1mL，其中，每约500mL BEBM/DMEM混合培养基中含约1.5mg/mL的BSA
[0645] 8.视黄酸，约0.5mL，其中，每约500mL BEBM/DMEM混合培养基中含约0.015mg/mL的视黄酸
[0646] 第1-6项获得自BEGM SingleQuot Kit Suppl.&Growth Factors(Lonza；Cat#CC-4175)。第7项购自Sigma，Cat#A9576，并用1号培养基稀释。第8项购自Sigma，Cat#R2625，并用DMSO稀释。
[0647] 3号培养基
[0648] BEBM 250mL(Lonza；Cat#CC-3171)加上DMEM 250mL(LifeTechnologies，Cat#11885-092)及以下补充剂和生长因子：
[0649] 1.BPE，约2ml
[0650] 2.氢化可的松，约0.5mL
[0651] 3.hEGF(人表皮生长因子)，约0.5mL
[0652] 4.肾上腺素，约0.5mL
[0653] 5.转铁蛋白，约0.5mL
[0654] 6.胰岛素，约0.5mL
[0655] 7.BSA(牛血清白蛋白)，约1mL，其中，每约500mL BEBM/DMEM混合培养基中含约1.5mg/mL的BSA
[0656] 8.视黄酸，约0.5mL，其中，每约500mL BEBM/DMEM混合培养基中含约3mg/mL的视黄酸
[0657] 第1-6项获得自BEGM SingleQuot Kit Suppl.&Growth Factors(Lonza；Cat#CC-4175)。第7项购自Sigma，Cat#A9576，并用1号培养基稀释。第8项购自Sigma，Cat#R2625，并用DMSO稀释。
[0658] 分化过程
[0659] -将重新悬浮于约20-40μL 2号培养基的约2×105个原代气道上皮细胞(例如原代小气道上皮细胞)通过“气道内腔”通道的入口或出口加入至根据如图2G所示的一个实施方式的装置中；
[0660] -将细胞在37℃下、5％CO2中培育至少约3小时，以允许其粘附至膜(例如刚性的聚酯或聚碳酸酯膜、或柔性的PDMS膜)上；
[0662] -使用2号培养基在浸没条件下进行培养；
[0663] -培养约4-5天，当细胞达到完全融汇时后，通过经由“气道内腔”通道的出口缓慢地除去顶端培养基而产生气-液界面(ALI)；
[0664] -在ALI过程中使用3号培养基用于培养；
[0665] -将细胞保持培养约3-4周，定期补充新鲜培养基(例如，每5-7天将新制备的培养基加入至储库)；
[0666] -通过显微成像定期对分化的芯片的质量进行评估。在一些实施方式中，装置可不与流连接。将约100μL-200μL的3号培养基加入至“气道内腔”通道，并在显微镜下对装置进行可视化，检查后，除去顶部培养基(在“气道内腔”通道中)以恢复ALI直至细胞完全分化。
[0667] 可以通过测定纤毛相关标记物、杯状细胞相关标记物和/或紧密连接相关标记物的存在来测定细胞的分化状态。例如，图5D是一组免疫荧光图像，其示出了原代小气道上皮在膜上的形成。对紧密连接蛋白(例如TJP-1和/或ZO-1)进行测定，以表明由所形成的上皮构成的功能化紧密连接屏障。图5E是一组免疫荧光和SEM图像，其示出了气道上皮细胞向纤毛细胞的分化。图5F示出了在本文所述装置中分化的上皮原代细胞的3D视图(纤毛跳动：通过β微管蛋白IC测定；以及黏液分泌：通过Muc5AC测定)。图5G示出了沿着本文所述装置的中通道的长度的纤毛细胞的代表性图像。在气-液界面培养约3周后，丰富纤毛跳动的均匀分布是上皮细胞在体内分化的标志。
[0668] 使用本文所述装置，小气道上皮(细支气管)细胞还可以分化成Clara细胞。这些细胞是含有诸如p450的药物代谢酶和诸如CC10的分泌蛋白(Clara细胞分泌蛋白10)的顶部圆顶形细胞。使用针对CC10的抗体来鉴别装置中的这些细胞。图29A是在装置中细支气管细胞充分分化后，CC10染色的Clara细胞和β微管蛋白IV标记的纤毛细胞的共焦显微俯视图图像。还使用扫描电子显微术对Clara细胞进行成像。图29B是在装置中生长的分化细支气管细胞的扫描电子显微照片，示出了大量的纤毛细胞覆盖(“1”的箭头)、通常表示黏液产生杯状细胞的顶膜的微绒毛(“2”的箭头)以及表明Clara细胞的一些圆顶形结构(“3”的箭头)。实施例2：本文所述装置模仿慢性阻塞性肺病(COPD)作用的用途
[0669] 可以使用与以上如实施例1中所述类似的分化方案，用于在本文所述装置中培养获得自健康正常气道和慢性阻塞性肺病(COPD)气道的气道上皮细胞，并诱导细胞分化为假复层的黏液纤毛上皮。图25A-图25B是在本文所述装置中的气-液界面(ALI)诱导后，充分分化的正常和COPD上皮的共焦图像。
[0670] 为了测定在本文所述装置中是否建立了COPD疾病表型，例如用促炎剂(例如病原体或其片段，如脂多糖)对分化的细胞进行刺激，然后对Toll样受体4(TLR4)和TLR3的基因表达水平进行测量，并与正常细胞中的水平相比较。
[0671] TLR(例如TLR3和TLR4)是在气道上皮细胞中介导识别和响应于刺激物(例如病原体或其片段，如脂多糖)的分子。进行定量测定(例如实时聚合酶链反应(qPCR))，以鉴别和测定在本文所述装置中生长的正常/健康和COPD源性上皮细胞之间的TLR4和TLR3表达的mRNA水平的差异。图26A表明，COPD装置(即，具有COPD源性细胞的装置)表现出低于健康装置(即，具有健康细胞的装置)的TLR3和TLR4mRNA水平。在COPD装置和健康装置之间检测到的TLR4mRNA水平的差异与在COPD患者和健康患者之间一般观察到的情况是一致的。
[0672] 接下来试图测定响应于TLR刺激的细胞因子的产生。细胞因子是参与炎症的分子，其产生可通过TLR激活来调节。在用脂多糖(LPS)对充分分化的(即，黏液纤毛)上皮(正常的和COPD源性的)进行刺激之后，在细胞上进行qPCR，从而在本文所述装置中对COPD和健康上皮之间的炎症反应加以比较。LPS是刺激TLR4的细菌衍生的分子。已经发现，LPS选择性诱导COPD上皮细胞分泌IL8，而不增加健康上皮细胞中的IL8(图26B)。这与临床报告和其它离体观测是一致的：COPD患者是超反应性炎症的，并且产生了更多促炎介体。同样地，当用聚(I:C)(聚肌苷:聚胞苷酸——模仿病毒感染并刺激TLR3的双链RNA的合成类似物)刺激分化(即，黏膜纤毛)的上皮(正常的和COPD源性的)时，聚(I:C)选择性地上调COPD上皮细胞中的M-CSF，而在健康上皮细胞中无显著变化(图26C)。M-CSF是在我们的身体中促进免疫细胞的一个子集(例如巨噬细胞)存活和分化的细胞因子。这符合一般的观察，在COPD患者的肺中一般存在与健康个体中巨噬细胞的数量相比增加了的巨噬细胞数量。通过聚(I:C)在健康供体和COPD上皮细胞中诱导其它两种细胞因子(IP-10和RANTES)的表达(图26D-图26E)。
[0673] 实施例3：复合3细胞型微流控共培养系统的建立
[0674] 本文所述装置的任何实施方式可用于建立如下所述的3细胞型微流控共培养系统。3细胞型微流控共培养系统包括纤毛上皮、内皮和循环白细胞。仅以举例的方式，图27A示出了在本实施例中使用的装置的一个实施方式。装置包含由ECM涂覆的多孔膜分隔开的两个平行通道：(i)高度相当于人肺小气道半径(1000μm)的顶部中通道(“气道内腔”通道)；和(2)重建后毛细血管静脉(在体内白细胞募集和粘附的主要位点)的底部微通道(“微血管”通道)(100μm深)。将上皮培养在膜的面向中通道的一侧，而将内皮培养在膜的面向微通道的另一侧。然后，将嗜中性粒细胞(在感染和炎症中重要的循环免疫细胞的子集，在包括COPD的许多疾病中积聚并促成肺部病理学)引入“微血管”通道。
[0675] 为了使内皮-白细胞相互作用可视化，在装置中用10μg/mL的聚(I:C)对分化的气道上皮细胞刺激6小时，以模仿经TLR3通路刺激的炎症表型。然后，使新分离的血液嗜中性粒细胞经由“微血管”通道流过内皮层(通过聚(I:C)刺激气道上皮细胞而激活)，以产生1dyne/cm2的生理壁剪切应力。一系列时间推移显微图像(图27B)示出了捕获到嗜中性粒细胞(左起第一幅图中不可见，但出现在第二幅图中；由箭头示出)向预粘附嗜中性粒细胞(环形)相邻的内皮流动。在最初附着之后，嗜中性粒细胞越过激活的内皮的顶部表面，然后牢固地附着(以秒为单位表示时间)。背景中的阴影是在实况高速多通道图像采集过程中，出血进入嗜中性粒细胞通道的弱内皮荧光信号。
[0676] 为了分析细胞粘附分子的基因表达，将完全分化的上皮细胞与肺微血管内皮细胞共培养在装置中，用10μg/ml的聚(I:C)从顶部刺激6小时，然后内皮细胞裂解，以测定E-选择素和VCAM1mRNA水平。E-选择素(内皮选择素)是在内皮细胞上表达的细胞粘附分子，并在炎症过程中上调。VCAM1(血管细胞粘附分子1)是内皮细胞表达的另一种细胞粘附分子。这两种分子对从循环中捕获和粘附白细胞均很重要。如图27C所示，用聚(I:C)激发的上皮诱导了E-选择素基因表达的显著上调，以及与不使用聚(I:C)激发的细胞相比更高(但不具有统计学显著性)的内皮细胞VCAM-1转录水平。
[0677] 实施例4：在小气道模仿装置中比较药物对嗜中性粒细胞捕获和粘附以及炎症抑制的效力
[0678] 例如，如实施例1或2所述，建立COPD上皮-微血管内皮共培养装置，然后用皮质类固醇药物布地奈德(10nM)或PFI-2(含溴结构域的蛋白4(BRD4)抑制剂药物；500nM)进行处理，或不进行处理。然后，用10μg/mL的聚(I:C)经由“气道内腔”通道对COPD上皮刺激6h，然后检查募集的嗜中性粒细胞的粘附作用。在即将实验之前用Hoechst对嗜中性粒细胞进行染色，使得能够进行可视化和定量。三个条件的代表性免疫荧光图像示于图28A中。
[0679] 对于布地奈德和PFI-2对嗜中性粒细胞粘附的作用进行量化。相比于未处理组和布地奈德，PFI-2显著降低了嗜中性粒细胞的募集，而布地奈德的作用不显著(图28B)。
[0680] 为了比较布地奈德和PFI-2在抑制炎性细胞因子分泌中的能力，在嗜中性粒细胞募集测定之前，还使用多重细胞因子检测系统对来自共培养装置的“微血管”通道中所分泌的细胞因子进行了分析。图28C表明，不同于布地奈德，PFI-2显著降低了嗜中性粒细胞化学引诱物IL-8、GROα和GM-CSF，单核细胞-化学引诱物MCP-1以及急性炎症相关的细胞因子IL-6的分泌。
[0681] 实施例5：用于评估药物效力的芯片气道中哮喘样表型的诱导
[0682] 为了在本文所述装置中开发哮喘样表型，例如使用实施例1或2中所述的方法，使气道细胞在装置中分化，然后用IL-13进行刺激以在装置中诱导哮喘样表型。IL-13是在大量哮喘患者的肺中发现的由免疫细胞所分泌的蛋白质。与未用IL-13刺激的细胞相比，在装置中用IL-13刺激的细胞中，重新产生了至少数个哮喘的标志，例如，更高数量的杯状细胞(即产生黏液的细胞)(图30A和图30B)、更低的纤毛跳动频率(图30D)以及更高的G-CSF和GM-CSF的分泌(图30C)。
[0683] 然后使用“气道”装置来评估托法替尼(JAK抑制剂)的药物效力。用托法替尼处理IL-13刺激的细胞，结果发现，该药物能够逆转在IL-13刺激的培养物中哮喘相关的表型。例如，该药物能够在IL-13刺激的培养物中减少杯状细胞的数量(图30A-图30B)、降低GM-CSF和G-CSF的分泌(图30C)和/或增加纤毛跳动频率(图30D)至健康水平。
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