仿生乳腺类器官芯片用于生产选定的人乳成分

《Research》：Biomimetic Mammary Gland Organoid-on-a-Chip for Producing Selected Human Milk Components

牛奶是人类健康的重要营养来源，然而，开发高效且可持续的室内乳制品生产系统以生产乳相关成分仍是一项重大挑战。在此，研究人员提出了一种仿生乳腺芯片系统，该系统重现了乳腺的结构特征和泌乳机制，用于生产乳相关生物活性成分。该芯片设计有提供循环的培养基通道、用于物质扩散的中间多孔水凝胶层以及用于培养乳腺上皮细胞的高度专用微腔室。乳腺芯片能够形成紧密连接（tight-junction, TJ）并主动分泌乳生物活性成分，如乳转铁蛋白（lactotransferrin, LTF）和甘油三酯（triglycerides）。更重要的是，通过扩展微腔室和平行化芯片，实现了含有选定生物活性成分的部分乳样分泌物的增量收集。研究人员的工作代表了一种稳健的微生理系统作为乳腺研究潜在体外平台的成功开发，并在应对未来食品和环境危机方面具有前景。

**研究背景**
牛奶是婴幼儿营养的重要来源，但传统畜牧业面临环境污染、病原污染、抗生素残留等问题。当前细胞农业策略（如微生物发酵）主要生产单一乳成分，无法重建乳腺协调的细胞分泌过程。因此，需要一种能重现乳腺结构与功能的体外平台，以产生更具生理相关性的乳生物活性分泌物。
**研究目的**
受乳腺结构与功能启发，研究人员开发了一种仿生乳腺芯片系统，用于生产选定的人乳相关成分。该系统整合了血管样培养基通道、多孔水凝胶层和中央肺泡样微腔室，模拟乳腺上皮关键生理特征，促进紧密连接形成和泌乳条件下乳生物活性成分的分泌。
**主要技术方法**
研究人员利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制模板构建微流控芯片，采用重组人胶原甲基丙烯酸酯（RHCMA）与聚环氧乙烷（PEO）制备多孔水凝胶，通过紫外线光刻固化。使用从减乳术患者（非哺乳期捐赠者）分离的原代乳腺上皮细胞（MECs）和MCF-10A细胞系，在芯片上培养并施加含地塞米松（Dex）和催乳素（PRL）的泌乳培养基诱导分泌。通过数值模拟、荧光漂白恢复（FRAP）、跨上皮电阻（TEER）等表征扩散和屏障功能，采用蛋白质组学、Western blot（WB）和Nile Red染色分析分泌产物。
**研究结果**
**1. 构建乳腺芯片**
研究人员设计了包含8个微腔室（平行排列于中央通道两侧）的芯片，中间层为多孔水凝胶（孔径约10 μm），外侧为培养基通道。数值模拟显示Péclet数约0.00065，表明物质运输以扩散为主。FRAP实验证实胶原涂层不显著改变扩散时间；压缩测试表明水凝胶在长期培养中保持完整，溶胀率<5%。
**2. 细胞-基质相互作用协调双系分化**
在芯片上，MECs（MCF-10A）于胶原-基质胶（Col-Mat）涂层表面形成细胞片层，表达腔面（E-cadherin）和基底（CK-14）标志物，重现体内特征。使用盘状结构域受体1（DDR1）抑制剂处理发现，DDR1抑制导致次级类器官形成增加，表明分化程度降低；从减乳术患者组织分离的原代乳腺类器官经DDR1抑制剂处理后，仅形成导管而无芽或小叶结构，证实DDR1对终末导管小叶单位（TDLU）形成至关重要。
**3. 乳生物活性成分分泌**
原代MECs在芯片上形成紧密连接（ZO-1表达），泌乳培养基刺激后跨上皮电阻（TEER）显著升高。Nile Red染色显示脂滴合成增加，甘油三酯分泌量提升。泌乳相关mRNA（CSN2、LTF、UGP2、FABP3、SREBP1）上调，Dex和PRL联合处理效果最强。蛋白质组学鉴定到360种分泌蛋白，其中80种与人乳共有，Western blot确认LTF分泌。
**4. 选定乳生物活性成分的规模化生产**
研究人员开发了含72个腔室的扩展芯片，并串联24个芯片形成多层集成系统。优化流速发现60 μl/h下总蛋白产量最高。与Transwell系统相比，扩展芯片在12天培养中蛋白和甘油三酯产量显著更高；集成系统每日总蛋白产量约8.57 mg，甘油三酯约1.02 mg，细胞活力维持良好。
**讨论与结论**
本工作开发了仿生乳腺芯片平台，模拟了乳腺的结构与功能，实现了体外收集乳生物活性成分。该平台集成了培养基通道、多孔水凝胶和中央微腔室，重现了胶原激活的DDR1信号驱动的MECs双系分化、上皮网络和紧密连接形成以及乳转铁蛋白、β-酪蛋白和甘油三酯的分泌。通过平行化多个芯片单元，实现了具有复杂高阶结构的乳成分的规模化生产，为选定乳生物活性成分的体外生产提供了潜在平台。未来工作可集成传感器监测生物信号，结合多器官芯片生产更复杂结构成分，并需进行生物安全验证和纯化以确保安全。系统可扩展性需进一步提升以实现商业需求，保证批次一致性和长期生产。该芯片在推进人类母乳研究、支持细胞基乳成分生产及应对全球生物技术和食品挑战方面具有潜力。