體外重現組織屏障的滲透性對于評估化學物質、藥物或化妝品等在上皮組織的選擇性轉運至關重要。物質對組織屏障的滲透能力影響它們的吸收和效果。因此，在制藥和化妝品行業，尤其是在毒理學研究中確定物質的滲透性非常關鍵。
器官芯片技術是一門在建立體外屏障模型方面表現十分出色的新興技術。器官芯片的小型通道和腔室特性使多類型細胞的培養和組織單元功能重建成為可能。BE-Transflow芯片，允許對皮膚等上皮進行氣液界面(ALI)培養，在進行滲透性研究上提供了很大的便利。
在2023年的一項研究中，來自西班牙薩拉戈薩大學阿拉貢工程研究所組織微環境實驗室的研究人員利用BE-Transflow芯片開發了一種上皮芯片模型。研究人員通過在BE-Transflow芯片的培養井中培養永生化人角質形成細胞系(HaCaT細胞)14天獲得了分層皮膚上皮。細胞在接種4天后，除去頂部的培養基以形成氣液界面并通過底部通道中循環的培養基來培養細胞。通過鈣黃綠素染色評估形成的層的活力。蘇木精-伊紅染色顯示了BE-Transflow芯片中的分層上皮。通過免疫組化評估，細胞角蛋白-2、-10和-14的表達確認了三個表皮層。
圖1 培養14天后HaCaT細胞的復層上皮
(A)蘇木精-伊紅染色。細胞角蛋白2
(B)、細胞角蛋白10(C)和細胞角蛋白14
(D)的免疫染色呈綠色。用DAPI(藍色)進行細胞核染色
下一步是評估芯片上皮模型是否可以確定不同分子的滲透系數。為此，研究人員對熒光素的滲透性進行了4小時的評估，結果顯示滲透曲線呈線性斜率，這使得該分子的滲透性系數和獲得的值與人角膜內皮中發現的值相似。此外，使用FITC標記的不同分子量的葡聚糖對其滲透系數進行定量分析。該模型能夠根據斯托克斯-愛因斯坦方程將化合物的斯托克斯半徑與其滲透系數關聯起來。該結果特別有價值，因為它允許通過確定分子的滲透系數來估計分子的斯托克斯半徑，反之亦然。
(A)每30分鐘至8小時超時定量熒光素滲透性(mol/m?3×103)
(B)每10分鐘至4小時超時定量熒光素滲透性(mol/m?3×103)
(C) 4000、10000、20000和40000 g/mol分子量 (mol/m?3×103)的異硫氰酸酯-葡聚糖(右旋糖酐)的熒光素滲透性，每30分鐘進行一次定量，直至8小時
(D)根據量化滲透率計算出的滲透系數(m/sec)x10?8與所研究的異硫氰酸熒光素-葡聚糖所描述的斯托克斯半徑的倒數((m?1)x109))之間的加權最小二乘擬合
最后，研究人員使用芯片上皮模型通過滲透系數確定金納米顆粒的半徑。研究人員制備了不同尺寸的納米顆粒，并與之前的葡聚糖分子類似地評估了它們的滲透系數。根據獲得的值，研究人員可以計算顆粒的斯托克斯半徑，其結果與透射電子顯微鏡獲得的值相似。
總體而言，本文展示了Be-Transflow裝置作為滲透性研究的芯片上皮平臺的重要作用，特別是在確定與分子或顆粒擴散相關的斯托克斯半徑方面。該模型將其適用性擴展到皮膚、腎、腸或肺等器官中發現的上皮細胞。
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