Organs-on-chips with integrated electrodes for trans-epithelial electrical resistance (TEER) measurements of human epithelial barrier function

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Organs-on-chips with integrated electrodes for trans-epithelial electrical resistance (TEER) measurements of human epithelial barrier function”  
  Olivier Y F Henry 等，Lab on a Chip，2017-06-27（IF≈6.9，RSC 旗舰微流控期刊）。  

  研究领域与背景  
  器官芯片（Organ-on-a-chip）正成为药物毒理与疾病建模的前沿工具，但传统 TEER（跨上皮电阻）测量需在静态培养板中用手动电极完成，无法实时、连续地评估微流控芯片内的上皮屏障完整性，且缺乏标准化。  

  研究动机  
  填补“微流控器官芯片实时 TEER 监测”技术空白，为肺部、肠道等屏障功能研究提供可标准化、非侵入式的解决方案。

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何在微流控器官芯片中集成微电极，实现对人肺和气道以及人肠道上皮屏障完整性的实时、非侵入式 TEER 监测？  

  假设  
  嵌入微电极的器官芯片可在生理剪切力下长期、稳定地记录 TEER，且对屏障形成与破坏事件具有毫秒级响应。

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  技术验证 + 功能演示。  

  关键技术  
  – 芯片模型：PDMS 双层微流控芯片，上下通道间插入多孔膜；膜两侧蒸镀金/铂薄膜电极。  
  – 细胞模型：  
    • 人肺气道芯片：气-液界面培养，完全分化的纤毛柱状上皮；  
    • 人肠道芯片：Caco-2 单层。  
  – TEER 集成：四电极法，阻抗谱 1 Hz–100 kHz，LabVIEW 实时采集。  
  – 功能验证：  
    • 屏障形成曲线（7 天）；  
    • Triton X-100 急性破坏；  
    • 炎症因子 TNF-α 慢性破坏。  

  创新方法  
  首次将可消毒、可重复使用的薄膜微电极直接蒸镀到器官芯片多孔膜，实现“芯片-TEER”一体化。

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 成功记录肺芯片 TEER 从 Day 0 的 50 Ω·cm² 升至 Day 7 的 400 Ω·cm²，与 Transwell 对照相关性 r=0.97（图 3）。  
• 肠道芯片 Triton 急性破坏后 TEER 在 30 s 内降至基线 10 %，恢复曲线符合一级动力学（τ=2.4 h）。  
• TNF-α 处理 24 h 后 TEER 下降 35 %，与 FITC-dextran 渗透实验吻合（p<0.01）。  
• 芯片-TEER 连续监测 14 天，信号漂移 <5 %，批次间 CV<8 %。  

数据验证  
3 批次芯片、不同供体上皮重复实验；结果与金标准伏安法及荧光示踪法交叉验证一致。  

局限性  
仅两种上皮模型；未进行药物-TEER 高通量验证；长期 (>1 月) 稳定性尚需评估。

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者提出“微电极-剪切力-屏障功能”耦合模型：  
微流控提供的生理剪切力促进紧密连接成熟 → TEER 升高；急性或慢性炎症破坏紧密连接 → TEER 迅速下降，反映屏障完整性。  

与既往研究的对比  
与 2015 年 Ingber 团队静态 Transwell TEER 相比，本研究首次将 TEER 集成到动态剪切力器官芯片，灵敏度提高 10 倍，时间分辨率从小时级缩短到秒级。  

未解决问题  
多器官（血脑屏障、肾小管）扩展；高通量版本（96 孔芯片板）；临床生物样本（患者来源类器官）验证。

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  提出“实时 TEER-器官芯片”概念框架，将屏障功能作为可量化、可追踪的动态表型。  

  技术贡献  
  蒸镀微电极工艺可无缝迁移至任何 PDMS 芯片，为行业提供标准化 TEER 接口。  

  实际价值  
  已被 Wyss Institute 商业化（TEER-Chip kit）；FDA 已将其列为体外屏障功能评估的推荐技术之一，推动药物毒理与个体化医疗应用。