皮肤是人体最大的器官，具有屏障功能，可以保护身体免受外来物质和病原体的侵害。尽管皮肤表面覆盖着角质层，但仍然会受到刺激、药物/病原体渗透以及过敏原、老化以及各种皮肤疾病的影响。目前，新药的临床前研究和化妆品配方的优化依赖于各种体外模型的应用。然而，动物模型存在道德问题以及高昂的时间和劳动力成本的问题。自2009开始，欧盟提出禁止将动物实验用于测试化妆品毒理学研究，这使得基于细胞和Transwell的皮肤模型变得流行，并且模型的复杂程度一直在增加。然而，这些模型及其培养过程仍然缺乏完全模拟皮肤微环境的能力。
来自东南大学的顾忠泽教授团队、中国航天员科研训练中心团队和艾玮得生物器官芯片团队共同合作，于2023年4月在《Journal of Tissue Engineering》（IF：8.2）杂志上以“Epidermis-on-a-chip system to develop skin barrier and melanin mimicking model”为题发表了文章，本文使用了艾玮得开发的三孔膜式芯片制备了表皮芯片（EoC）。芯片内微流体环境提高了模型的仿真度。而三连续单元和可开盖的芯片设计，满足了在芯片中对模型进行固体和半固体物质测试的需求。
1、在EoC中构建表皮
如图所示，提取的原代角质细胞胶蛋白表达量丰富，纯度高。将原代角质细胞接种到芯片内增殖2天后，更换培养基为分化培养基，在气液培养条件下分化培养。14天后，角质形成细胞分化成基底层、棘层、颗粒层和角质层。并且细胞间连接紧密、细胞活性高。
2、表皮的分化
与静态皮肤相比，EoC皮肤分化更为明显。特别是基底层的细胞排列得更紧密，厚度约为50μm以上。这表明在皮肤重建过程中，微流体系统增强了分化的过程。除了提供持续的营养供应和去除代谢废物外，微流体灌注还可能增加剪切应力，从而推动表皮成熟并调节其生物屏障功能。
3、EoC的屏障功能
皮肤最重要的功能是在生物体和环境之间形成有效的屏障，防止病原体入侵并抵御化学和物理攻击。作者通过不同荧光分子溶液的渗透性，评估了EoC对外部物质的抵抗力。结果表明，EoC可以显著防止级联蓝（607 Da）和德克萨斯红（70 kDa）的渗透，阻断了99.83%的小分子荧光染料。
此外，依据静态体外皮肤模型测试标准OECD439，我们表征了EoC表皮SDS暴露后的皮肤屏障功能。如图所示，超过一半的组织细胞在暴露于18 mg / mL SDS（2.0% m / v）2小时后仍然存活。也就是说，EoC皮肤模型具有良好的屏障功能，可以用于进一步应用（例如刺激或光毒性评估）。
4、醋酸泼尼松的渗透
糖皮质激素是类固醇激素，根据昼夜节律从肾上腺皮层排泄。它们不仅在调节糖、脂肪和蛋白质的生物合成和代谢方面很重要，而且在防止压力、休克、炎症等方面也很重要。醋酸泼尼松（PA）是一种重要的糖皮质激素药物，可以口服、涂抹在皮肤上、局部注射或放入结膜囊。
在这项工作中，作者发现PA药物的皮肤渗透能力有限。尽管透皮给药是一种吸引人的方法，但受角质层（皮肤最外层）调节，并非所有糖皮质激素药物都适合透皮给药途径。
5、试剂刺激性评估
与这些静态皮肤模型不同，大多数此类芯片是密封的，不适合糊状或半固体样品上样。通常，这类样本会堵塞微流控管道，难以精确控制样品加载量。同时，添加样品后需要大量的液体和时间进行清洗，影响了芯片的检测效率。我们检测了四种化学物质，如图所示：两种非刺激性化学物质，异丙醇（液体）和甘油（粘性）以及两种刺激性化学物质，1-溴己烷（液体）和仙客来醛（粘性）。甘油和仙客来醛是糊状的，通过本文中的 EoC，我们可以打开芯片加样，同时在蠕动泵的帮助下将它们冲走。结果显示，检测测试准确地预测了样品的刺激性和非刺激性。
6、化妆品的美白效果功效
由于美容和健康问题，美白化妆品对公众的吸引力越来越大。作者在芯片中构建了含黑色素细胞的黑素皮肤模型。
用中国某化妆品公司的化妆品处理后，实验组的表观色度降低。L*值和黑色素含量与Control组间存在显著差异，且样品的标准偏差小于3%，重复性较好。而基于图像分析统计的黑色素颗粒分布与Control组间并无显著差异。这些结果表明，被测化妆品具有美白效果。但是机制还尚不明确，化妆品可能抑制了黑色素的转运，但并没有阻断黑色素的产生。
总而言之，作者设计了一种简单、实用且可重复的 EoC。结果表明，该芯片制备的皮肤模型具有良好的屏障功能，适用于刺激性评价和初步渗透检测。尤其是可拆卸的盖子便于装载固体或半固体样品。EoC 也可被视为评估化妆品在腐蚀性、光毒性和美白等方面有效性的合理选择。同时，EoC可以很容易地扩展到多单元芯片，是实现高通量测试的一种潜在策略。这对于有效测量皮肤刺激性、渗透性或其他皮肤评价指标是迫切需要的，可以有效地促进制药和化妆品行业的发展。
文献索引：https://doi.org/10.1177/20417314231168529
