Reconstitution of tissue morphology of intestine by multilayer microfluidic cell culture device

Abstract

Microfluidic fabrication technology has been used in Tissue Engineering to mimic a variety of human organs. Each type of cell needs its own microenvironment. But traditional cell culture system cannot mimic theses environments in vitro. The main advantage of microfluidic system is that it is well suited to physical parameters of cells. Therefore, microfluidic system easily recreate a physiologically acceptable cellular microenvironment. In chapter I, I briefly introduced microfluidic cell culture system for cell culture applications in the literatures for mimicking in vivo conditions of several organs, such as liver, lung, kidney, blood vessel and gut. In chapter II, I described microfluidic intestinal cell culture system for constructing the human intestine model for drug absorption and host-bacterial cell interaction. Physiological and morphological properties of the human intestine cannot be properly mimicked in the conventional culture systems because intestinal epithelial cells form a monolayer in a loosen state when they are cultured in transwell plates and petri dishes. Herein, I developed a novel microfluidic cell culture device (μFCCD) for human intestinal model, which enables intestinal epithelial cells (Caco-2) to grow three-dimensionally on a porous membrane coated with fibronectin between two PDMS (polydimethyl siloxane) layers. Within 3 days, Caco-2 (the intestinal cell line) cells on μFCCD formed villi- and crypt-like structures with small intercellular spaces, while their individual cells were tightly connected with each other through the expression of the tight junction protein occludin and covered with one of secreted mucins, MUC-2. Caco-2 cells cultured on μFCCD for three days were less susceptible to bacterial attack than those cultured on transwell for 21 days. The formers also maintained a physiologically relevant absorption and paracellular transport properties. These results suggest that the intestinal model on μFCCD more faithfully mimics morphological and physiological properties of the intestine in vivo than conventional intestinal models.;미세 유체 제작 기술은 인체의 기관을 모사하는 조직 공학 방면에서 이미 이용되고 있다. 다른 조직에 있는 세포는 각자의 생존 할 수 있는 미세 환경이 필요하다. 하지만 전통적인 세포 배양 시스템은 이런 환경을 모사 할 수가 없다. 미세 유체 시스템의 가장 큰 장점은 세포에 맞는 물리적 척도를 설계 할 수 있다는 점이다. 따라서 미세 유체 시스템은 세포의 미세 유체 환경을 쉽게 재 구현 할 수 있었다. 제 1 장에서는 최근에 연구 및 보고된 미세 유체 시스템으로 세포를 배양하는 장치에 관하여 간단히 소개를 진행하였다. 예를 들면 간, 폐, 신장, 혈관과 장을 모사하는 미세 유체 칩 등이다. 제 2 장에서 나는 미세 유체 기술을 이용하여 인체의 장을 모사한 시스템을 새로 구축하였고, 이를 이용하여 장 상피세포를 배양하여 보았다. 일반적인 세포 배양 시스템으로 세포를 배양하였을 때 실제 체내 세포의 생리적 및 형태적 특성을 정확히 모사 할 수 없었다. 예를 들면 세포를 일반 세포 배양 용기 혹은 트랜스웰(Transwell)을 사용하여 배양을 진행하였을 때 세포는 단층으로 이완된 상태로 자라게 된다. 본 장에서 내가 진행한 연구는 새롭게 제작한 인체 장을 모사한 미세 유체 시스템(μFCCD)으로, 장 세포(Caco-2)가 삼차원적인 환경에서 PDMS 층간 사이에 놓인 단백질로 코팅된 미세 구멍이 있는 멤브레인 위에서 배양하게 된다. 3일간 미세 유체 시스템에서 배양 후, 장 세포는 villi-like 와 crypt-like 형태를 보였고 tight junction 단백질 occludin을 많이 발현하여 세포와 세포 사이의 간격이 좁아 졌고 mucin 단백질의 일종인 MUC-2가 많이 분비되어 세포 표면을 덮었다. 장 세포를 미세 유체 칩에서 삼일 간 키운 것과 트랜스웰에서 21일 동안 키운 것에 감염성 세균을 같이 배양하였을 때 미세 유체 칩에서 배양한 장 세포에 감염이 상대적으로 현저하게 적었다. 미세 유체 칩에서 배양한 장 세포는 생리 관련 흡수와 paracellular 전송 특성을 유지하고 있었다. 위의 연구 결과를 종합하여 보았을 때 새로 구축한 장 모사 미세 유체 칩은 체내의 장 세포의 생리적 및 형태적 특성을 일반적인 체외 장 모사 모델보다 더 잘 구현하였다.