可灌注微通道3D皮肤模型的构建及屏障功能评价

Shoji Takeuchi 团队与 POLA 化学工业合作，在生物制造领域期刊《Biofabrication》（2024 年第 16 卷）发表研究 —— 开发出一款带可灌注微通道的培养插入装置，不仅能在常规 6 孔板中构建体外全层皮肤模型，还能直接完成屏障功能评估，无需转移模型或额外辅助工具，为化妆品、药物皮肤测试提供了更高效、贴近生理的解决方案。

研究背景

随着全球 40 多个国家禁止或限制化妆品动物实验，3D 体外皮肤模型成为研究的重点。但传统模型存在短板：要么是静态培养缺乏营养流动，无法模拟体内血管循环；要么是功能评估时需转移模型，易损伤皮肤结构，还难以区分 “经皮渗透” 和 “血管吸收” 这两个指标 —— 而后者直接影响药物全身暴露风险的评估准确性。

为解决这些问题，研究团队聚焦 “仿生设计 + 便捷测试”，打造了集成可灌注微通道的培养装置，同时结合皮肤屏障评估的方法（跨上皮电阻 TEER测量、经皮水分流失 TEWL检测），让体外模型更贴近体内皮肤的结构与功能。

研究设计

1. 装置亮点：反向法兰锚定 + 可灌注微通道

适配性强：直接放入常规 6 孔板，无需专用培养设备，降低实验门槛；

锚定设计：中心的反向法兰形锚定结构，让胶原蛋白基质（真皮成分）收缩到预设尺寸，避免漏液，同时确保表皮完整覆盖真皮；

微通道功能：内置 4 条血管样微通道（可扩展至 7 条），通过灌注模拟体内血液流动，还能单独评估血管吸收效率。

2. 皮肤模型构建步骤

1. 真皮制备：混合人真皮成纤维细胞与 I 型胶原蛋白，注入装置后培养 7 天，形成带微通道的真皮；

2. 表皮接种：在真皮表面接种人表皮角质形成细胞，培养 5 天形成表皮 - 真皮连接；

3. 血管内皮化：在微通道内接种人脐静脉内皮细胞（HUVECs），模拟血管结构；

4. 气液界面培养：静态或灌注条件下培养 7 天，诱导表皮角质化，形成功能完整的全层皮肤模型。

3. 测试方法

屏障功能评估：① 跨上皮电阻（TEER）：用ASCH AS-TZ1经皮电阻测试仪直接在装置内测量，反映表皮完整性；

ASCH AS-TZ1经皮电阻测试仪

 

② 经皮水分流失（TEWL）：使用ASCH VAPOSCAN经皮水分流失测量仪，量化皮肤水分散失，辅助验证屏障功能；

 

 

                                                         ASCH VAPOSCAN经皮水分流失测量仪

 

 

③咖啡因渗透测试：通过 HPLC-UV 检测，区分经皮渗透和血管吸收量。

研究结果

1. 形态更接近体内皮肤

灌注培养的 HSE 表皮厚度达 80-100μm，是静态培养（30-50μm）的 2 倍，且基底角质细胞更极化，表皮分化层次更清晰；免疫荧光显示，灌注组的胶原蛋白 IV（基底膜关键成分）表达高于静态组，与商用皮肤模型相当。

2. 屏障功能更优

TEER 测试显示，灌注组的屏障完整性几乎是静态组的 5 倍；咖啡因渗透测试中，灌注组 45 分钟后经皮渗透量低于静态组，证实其屏障功能更强，且能清晰区分 “经皮渗透” 和 “血管吸收”—— 加入 VEGF（血管内皮生长因子）后，血管吸收量增加，说明模型可模拟血管通透性变化。

3. 无需转移，测试更便捷

装置设计让TEER测量、渗透测试直接在培养容器内完成，避免了模型转移导致的结构损伤，数据重复性更高，同时简化了实验流程。

研究意义

这款装置解决了传统体外皮肤模型 “培养与测试脱节”“缺乏血管循环模拟” 的问题，不仅能用于化妆品安全性、渗透性评估，还能模拟药物的经皮吸收与全身暴露风险，为皮肤相关基础研究、药物研发提供了更贴近生理的模型工具。