生物工程师和组织工程师打算用生理相关的细胞和基质结构重建皮肤等效物，用于基础研究和工业应用。皮肤病理生理学取决于皮肤神经串扰，因此研究人员必须在实验室中开发可靠的皮肤模型，以评估表皮角质形成细胞和感觉神经元之间的选择性通讯。

片上皮肤在微流控芯片上模拟受神经支配的表皮样层

在NatureCommunications上发表的一份新报告中，JinchulAhn和韩国机械工程、生物融合工程以及治疗学和生物技术研究团队展示了微流控芯片上的三维神经支配表皮角质形成细胞层，以创建一种感官神经元-表皮角质形成细胞共培养模型。该生物模型保持组织良好的基底-基底上分层和增强的屏障功能，用于生理相关的解剖表示，以显示实验室成像的可行性，同时进行功能分析以改进现有的共培养模型。该平台非常适合生物医学和制药研究。

皮肤：人体最大的感觉器官

皮肤由复杂的感觉神经纤维网络组成，形成具有机械感受器、温度感受器和伤害感受器的高度敏感器官。这些神经元亚型存在于背根神经节中，并且密集而明显地受神经支配进入皮肤层。皮肤中的感觉神经纤维也表达和释放神经介质，包括向皮肤发出信号的神经肽。神经对感觉和其他生物皮肤功能的生物学意义已与多种皮肤病形成物理和病理相关性，使这些仪器适合模拟皮肤-神经相互作用的体内模型。

为了概括微生理结构，Ahn及其同事使用微流体模型在实验室中共同培养和分析角质形成细胞和感觉神经元的3D相互作用。他们应用斜坡-空气-液体界面提供空气接触以成功区分表皮细胞以促进角质形成细胞发育，并使用多通道水凝胶系统模拟细胞/亚细胞排列和细胞-细胞-基质相互作用以形成生理相关的表皮表面。研究人员在微流控芯片上模拟了表皮角质形成细胞感觉神经元串扰和高血糖诱导条件模拟急性糖尿病，以研究人体皮肤病理状况的潜在机制。

用于角质形成细胞-感觉神经元共培养的片上皮肤

Ahn和团队通过设计和制造结合了水凝胶的微流控芯片来模拟表皮解剖结构。该构建体包含四个细胞培养室和神经元分析单元，以及一个用于角质形成细胞的表皮通道。他们通过将角质形成细胞加载到在细胞外基质水凝胶上生长的表皮通道中，促进微生理学上准确的轴突-角质形成细胞相互作用，以促进仅与轴突相互作用，同时防止与神经元胞体相互作用。细胞区室化使他们能够在单个设备上培养两个独立的细胞，以维持细胞的特性和功能。该团队用生理相关的细胞外基质水凝胶填充每个轴突引导微通道没有成纤维细胞以促进微芯片中的各种成像和生化功能测定。

研究人员通过优化细胞外基质成分(包括背根神经节、感觉神经元和角质形成细胞)的组成和浓度，将神经纤维从胞体通道通过水凝胶图案化到角质形成细胞层。该团队使用三种水凝胶条件组合在芯片上培养感觉神经元，其中包括含有或不含层粘连蛋白的I型胶原蛋白的变体.该团队从大鼠身上分离出原代细胞并将其装载到体细胞通道中并培养1周。微流控芯片中的轴突穿过细胞外基质通道并到达表皮通道以形成仅轴突的网络层。轴突穿过材料排列形成轴突/表皮隔室——由此产生的3D微通道允许束状结构的发展形成致密的轴突网络。

气液界面表皮发育

在仪器上与底层细胞外基质相邻的基底角质形成细胞形成了真皮-表皮连接，细胞外基质通过细胞-细胞外基质相互作用将机械和化学信号传递给角质形成细胞。通过整合斜坡-气液界面，该团队加速了角质形成细胞的增殖和分化，从而构建表皮角质形成细胞层。他们通过在微流控芯片中共同培养表皮角质形成细胞和感觉神经元之间的物理接触，以了解它们在单个细胞类型中的结构和功能，从而重现了它们之间的物理接触。然后，他们使用组织学来观察表皮样层的特征，并成功地概括了受神经支配的表皮的细胞组织学。

在芯片上进行功能整合和模拟高血糖

微流控芯片上的感觉神经元神经支配过程通过增加表皮厚度和分化率来影响表皮发育。该团队考虑了该​​模型的结构和功能相似性，包括角质形成细胞和发育中的表皮样层中的神经元之间的功能串扰。研究人员通过研究在局部应用辣椒素的特定触发条件下瞬时受体电位香草素1和4(TRPV1和TRPV4)等机械感觉离子通道的表达来检查伤害性转导(疼痛转导)。

为了了解高血糖引起的糖尿病性神经病变的影响，他们探索了糖尿病性神经病变相对未知的病因，其中皮肤微环境下的表皮内神经纤维功能障碍可能在疾病期间发挥重要作用。该团队在微流控芯片上模拟了类似高血糖的情况，以检查病理生理机制;结果表明在高葡萄糖条件下屏障功能受损。结果模拟了糖尿病患者皮肤的易感性，为急性高血糖或前驱糖尿病提供了可能的机制。

外表

通过这种方式，JinchulAhn及其同事在具有神经支配的表皮样层的3D微流体共培养系统中研究了皮肤微环境的各种细胞之间的复杂通讯和相互作用。研究人员在芯片上整合的共培养参数允许形成有组织的、受神经支配的角质形成细胞层，以开发片上皮肤仪器。

科学家们制定了稳健的微流体方案，以在实验室中重现仿生环境，并模拟高血糖以了解糖尿病性神经病变病因期间的病理生理变化。他们设想将皮肤模型与微流控芯片中的额外细胞成分相结合，以进行高通量药物筛选。