杜克大学的生物医学工程师开发了一种基于丝绸的超薄膜，可用于器官模型，以更好地模拟体内细胞和组织的自然环境。当用于肾脏器官平台时，该膜可帮助组织生长，从而重建健康和患病肾脏的功能。

通过使细胞更紧密地生长，这种新膜可帮助研究人员更好地控制任何器官的关键细胞和组织的生长和功能，从而使他们能够更准确地模拟各种疾病并测试治疗方法。

该研究于6月5日发表在《科学进展》杂志上。

器官(OOC)系统通常不大于USB闪存盘，它彻底改变了研究人员研究人体底层生物学的方式，无论是创建组织结构的动态模型、研究器官功能还是模拟疾病。

这些平台旨在以最能模拟目标器官的方式刺激细胞生长和分化。研究人员甚至可以用人类干细胞填充这些工具，以生成患者特定的器官模型，用于临床前研究。

但随着技术的发展，设计中的问题也随之出现，最明显的是用于制造膜的材料，而膜是专门细胞生长的支撑结构。

这些膜通常由不会降解的聚合物组成，在细胞和组织之间形成永久性屏障。虽然人体器官的细胞外膜厚度通常不到一微米，但这些聚合物膜的厚度在30到50微米之间，阻碍了细胞之间的交流并限制了细胞的生长。

“我们希望处理这些中的组织，就像病理学家处理患者的活检样本甚至活体组织一样，但使用标准聚合物膜是不可能的，因为额外的厚度会阻止细胞形成更接近人体组织的结构。

“我们想，‘如果我们能够获得一种基于蛋白质的材料，它可以模仿这些天然膜的结构，而且足够薄，可以供我们切片和研究，那不是很好吗?’”生物医学工程助理教授萨米拉·穆萨说。

这个问题促使穆萨和穆萨实验室的博士生、论文第一作者乔治·(Xingrui)·牟(George(Xingrui)Mou)发现了丝素蛋白，这是一种由蚕产生的蛋白质，可以通过电子方式纺成膜。在显微镜下观察，丝素蛋白看起来像意大利面条或杰克逊·波洛克的画作。

这种多孔材料由长长的、相互缠绕的纤维制成，可以更好地模拟人体器官中细胞外基质的结构，并且以前曾被用于创建伤口愈合等目的的支架。

牟先生解释道：“丝素蛋白使我们能够将膜厚度从50微米降低到5微米或更少，这使我们更接近生物体内所见的厚度。”

为了测试这种新膜，Musah和Mou将这种材料应用于他们的肾脏模型。这种OOC平台由透明塑料制成，大小约为25美分硬币，旨在模仿人类肾脏的横截面——具体来说是肾小球毛细血管壁，这是肾脏中由血管簇组成的一种关键结构，负责过滤血液。

膜安装到位后，研究小组将人类诱导性多能干细胞衍生物添加到中。他们观察到这些细胞能够穿过超薄的膜发送信号，从而帮助细胞分化为肾小球细胞、足细胞和血管内皮细胞。

该平台还触发了生长组织中内皮开窗的发育，内皮开窗是允许液体在细胞层之间通过的孔。

测试结束时，这些不同类型的肾细胞已经组装成肾小球毛细血管壁，并能根据大小有效地过滤分子。

Musah表示：“新的微流控系统能够模拟体内组织-组织界面，并诱导特殊细胞的形成，如有孔内皮细胞和来自干细胞的成熟肾小球足细胞，这对于增进我们对人体器官发育、疾病进展和治疗发展的理解具有重要潜力。”

随着模型的不断优化，穆萨和同事们希望利用这项技术更好地了解肾脏疾病背后的机制。尽管肾脏疾病影响了超过15%的美国成年人，但研究人员缺乏有效的肾脏疾病模型。患者往往在肾脏受到严重损害后才被诊断出来，他们往往需要接受透析或肾脏移植。

“利用这个平台开发肾脏疾病模型可以帮助我们发现这种疾病的新生物标志物，”牟说。“这也可以用于帮助我们筛选几种肾脏疾病模型的候选药物。这种可能性非常令人兴奋。”

“这项技术对所有器官模型都有影响，”穆萨说。“我们的组织由膜和界面组成，因此你可以想象使用这种膜来改进其他器官的模型，如大脑、肝脏和肺，或其他疾病状态。这就是我们平台的真正力量所在。”