[发明专利]与仿生细胞化肾单位有关的系统、方法和装置

说明书

本文公开了用于在细胞化的肾单位的仿生环境中培养细胞的系统和装置，以及用于制造和使用细胞化的肾单位的方法。

相关专利和申请

本申请要求于2011年6月15日提交的第61/497,376号美国临时申请和于2011年6月16日提交的第61/497,854号美国临时申请的权益，将其全部内容引入本文作为参考。

领域

一般地，本公开涉及用于在细胞化的肾单位的仿生环境中培养细胞的系统和装置，以及用于制造和使用细胞化的肾单位的方法。

背景

在控制的体外条件下生长的肾细胞在肾功能性研究、医疗装置制备和药物测试中具有广泛的潜在应用。肾细胞培养允许生物学家研究与肾相关的细胞的功能并观察细胞对各种条件的响应。高度受控制的肾环境可以用于执行肾的一些功能以帮助肾病患者，并且可以被组织工程使用以生成用于移植到肾病患者体内的特异性肾组织。此外，肾细胞培养可以在用于肾治疗和用于测试药物的肾毒性的药物开发中使用。控制的体外环境也可以用于其它类型的细胞。

这些应用中的每一种得益于引起体外细胞在体内准确复制细胞的条件。尽管存在用于培养肾细胞的装置和方法，但传统的体外肾细胞环境是静态的，未能解释肾单位中经历的剪切应力。此外，以前的肾细胞培养的体外环境没有提供仿生信号(cue)，如由胞外基质(ECM)提供的那些，因此在以前的环境中生长的细胞不具有它们在体内所具有的表型和形态，例如细胞形状或排列。肾单位中肾细胞的适当排列，尤其是细胞之间的细胞间连接的形成对于肾细胞执行其过滤和吸收功能是必要的。因此，在先前的装置中生长的肾细胞未能模拟肾单位的条件。

概述

因此，需要可以用于生长更好地复制肾单位的体内条件的肾细胞培养物的仿生装置。特别地，控制流动通道中细胞的几何形状和排列的装置可以用于建立比先前的装置更加接近地模拟体内条件的体外环境。微制造和微成型技术可以用于制备人工细胞基底，所述人工细胞基底具有模拟细胞外基质(ECM)对肾细胞的作用的微-、亚微-和纳米-拓扑图案(topographical pattern)。拓扑表面的设计允许紧密控制在基底上面生长的细胞。这种表面图案(surface patterning)连同附加的流动通道参数如通道高度、通道横截面积和流速一起可以用于建立紧密模拟特异性细胞类型的体内环境的高度受控制的体外条件。

因此，在一些方面中，本文公开了用于构建和利用人造器官(如生物人工肾)的装置和方法。在一些实施方案中，本技术的生物人工肾包括：包括至少一个拓扑表面的微流体流动通道；与所述流动通道流体连通用于允许流体流入所述流动通道的入口；和接种在所述拓扑表面上的肾细胞，其中选择所述流动通道的表面的拓扑图，以使肾细胞形成置于所述表面以上的细胞层，以实现通过至少一个表面的拓扑图至少部分地确定的排列、行为或形态。另外地或供选择地，在一些实施方案中，选择所述表面的拓扑图以促进细胞层中的细胞与至少一个表面的粘附增加。另外地或供选择地，在一些实施方案中，所述表面拓扑图使得细胞层的排列、行为或形态复制肾中的细胞的排列、行为或形态。

在一些实施方案中，所述流动通道在生物人工肾中形成。在一些实施方案中，所述流动通道形成为一种或多种结构的部分，所述结构选自亨利袢(Loop of Henle)、集合小管和远端小管。