近日，上海交通大学医学院附属第六人民医院宋鲁杰团队联合上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系、转化医学设施用户陈翔团队在《Bifabrication》杂志（中科院1区）发表题为“Construction of a three-dimensional urothelium on-chip with barrier function based on urinary flow microenvironment”的文章。该研究通过微流控技术构建尿路上皮器官芯片，使用脉冲式流动和周期性流动，分别模拟上、下尿路的流体环境。这种新型体外模型有望在尿路上皮生理、损伤修复和尿路上皮疾病研究中发挥重要作用。
论文链接：
（可点击“阅读原文”查阅论文）
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/acc4ec
尿路屏障完整性的破坏及功能障碍与泌尿系疾病的发生发展密切相关，如尿路感染、尿道狭窄、慢性炎症（间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征）和尿路上皮癌等，严重影响患者的生命健康及生活质量。这些尿路上皮疾病具有高患病率、易复发及治疗困难等特点。尿路上皮细胞是研究泌尿系疾病的关键。但受限于培养条件及培养方式的限制，体外培养的尿路上皮细胞虽然能够正常增殖，但在结构和功能上并不成熟，不表达尿路上皮细胞分化的标志物。其次，组织工程尿道修复失败的原因在于上皮化缺乏，上皮细胞不成熟。因此，如何促进尿路上皮成熟，如何建立尿液屏障，防止尿液渗漏是关键。
相关研究表明，机械刺激会影响细胞的结构和功能、细胞外基质成分的重塑和细胞的排列和增殖。尿路上皮细胞具有独特的尿流微环境，不断暴露于机械刺激，包括拉伸、流体剪切力以及细胞外基质刚度。然而，到目前为止，仍然缺乏合适的体外研究模型。为了弥补传统研究方法中的种种不足，亟需一种新的研究系统来整合物理-生化微环境，更好地再现细胞的在体环境，从而更深入、全面地研究尿路上皮的发育和疾病的发生发展过程。
研究路线图
课题组首先通过微流控技术构建尿路上皮器官芯片，并搭建相关平台，这包含用于细胞培养的器官芯片和基于泵的流体灌流系统。通过调整GelMA水凝胶的浓度和氨基取代度，探索其生物力学性能和生物相容性，以及对尿路上皮的形态的影响，并最终确定浓度为15%，氨基取代度为60的GelMA水凝胶在性能上最接近于机体的细胞外基质。
给予脉冲式流动来模拟上尿路。通过流体系统施加不同强度的流体剪切力，实验结果表明，与静态培养相比，低流速下（4 μl/min）动态培养能促进细胞分化，而中流速（40 μl/min）和高流速（80 μl/min）则抑制细胞分化。免疫荧光染色结果显示，与静态培养相比，动态培养能够重塑细胞骨架，促进ZO-1、uroplakin 2、CK 20等尿路上皮屏障功能的表达；H&E结果显示，随着培养时间的延长，动态培养促进尿路上皮细胞分化成熟，细胞层数显著增加，但中、高流速对细胞增殖有抑制作用。
上尿路芯片中上皮标志物及屏障功能免疫荧光表达情况、HE组织学染色及上皮表面形貌
给予周期性流动模拟下尿路。细胞形态、免疫荧光和H&E染色结果与上尿路相似。组织学结果表明，无论上尿路还是下尿路，动态培养下的尿路上皮细胞均显示出成熟的分层细胞层，具有类似于天然尿路上皮细胞的基底细胞（CK 5）、中间细胞（P63）和表层细胞（CK 20）层。
下尿路芯片中上皮标志物及屏障功能免疫荧光表达情况、HE组织学染色及上皮表面形貌
透水性实验显示纯水凝胶组通透性最高，上尿路通透性低于下尿路；上、下尿路总转录组测序结果显示，细胞间黏附、上皮细胞增殖、上皮细胞结构重塑等相关基因表达上调。差异表达基因GO功能注释分析显示，纤毛、趋化因子介导的信号通路、G蛋白偶联受体活性，细胞表面，质膜外侧等相关基因功能富集显著。差异表达基因KEGG信号通路富集分析结果显示差异表达基因共富集到65个信号通路中，其中JAK-STAT， 细胞因子相互作用等通路的基因得到富集。这对于上皮细胞的离子转运、顶端质膜的结构等功能的表达至关重要。
转录组测序结果
综上，该研究构建的三维尿路上皮器官芯片模型具有接近天然尿路上皮的形态结构、特异性分化成熟标志物（uroplakin 2、CK 20）和尿路上皮屏障功能，在很大程度上模拟了尿路上皮细胞外基质和尿流微环境。这种新型微流控模型对于研究尿路上皮生理、损伤修复机制和尿路上皮肿瘤及炎症性疾病的药物筛选具有重要意义。
该课题依托于转化医学设施微流控疾病早诊系统开发工作站开展，得到了国家自然科学基金面上项目、上海卫生健康学科带头人计划及上海市国际科技合作项目的支持。
主要研究人员
第一作者介绍
侯长浩，上海交通大学医学院附属第六人民医院住培医师，研究方向为尿路修复重建与男科学，目前以第一作者发表SCI论文4篇，获上海市优秀毕业生称号。
通讯作者介绍
宋鲁杰，上海交通大学医学院附属第六人民医院泌尿外科主任医师，博士生导师，泌尿外科副主任。擅长男性尿道狭窄，尿瘘，尿道下裂，尿失禁，男科疾病的诊治。入选上海“浦江人才”计划，上海卫生健康学科带头人计划，上海交大 “新百人” 和“晨星学者” 计划。担任美国尿路与生殖重建医生协会(GURS)积极会员，中国人体健康科技促进会男科学专业委员会副主任委员，中国医师协会男科与性医学分会委员，上海医学会泌尿外科分会青年委员会委员兼秘书，上海市徐汇区医学会泌尿外科分会副主任委员，中国医促会泌尿健康分会尿道修复重建学部委员兼秘书，中国生物医学工程学会类器官与器官芯片分会委员。担任《中华泌尿外科杂志》通讯编委、《现代泌尿外科杂志》责任编委及《International Neurourology Journal》编委等。主持国家自然科学基金3项，发表SCI论文30余篇。
陈翔，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系副研究员、上海交通大学转化医学设施微流控疾病早诊系统开发工作站负责人。目前主要从事基于微流控的单细胞操控技术研究、高精度单细胞成像及快速图像识别技术研究、基于深度学习的药物毒理研究微系统的开发、快速诊断的微流控芯片以及相关光机电系统的开发。先后主持多项上海市科委项目、自然科学基金、国家重大专项计划、国家863等多项与微流控技术相关课题的研究工作。发表相关文章50余篇，申请发明专利5项，授权发明专利3项。
