什么是微流控器官芯片

微流控器官芯片簡(jiǎn)稱為器官芯片。器官芯片是一種多通道，包含有可連續(xù)灌流腔室的三維細(xì)胞培養(yǎng)裝置。器官芯片由兩大部分組成，一是本體，由相應(yīng)的細(xì)胞按實(shí)體器官中的比例和順序搭建；二是微環(huán)境，包括器官芯片周邊的其它細(xì)胞，分泌物和物理力。器官芯片是人工器官的一種類型。

器官芯片是芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的發(fā)展和細(xì)胞生物學(xué)緊密結(jié)合的結(jié)果，這種結(jié)合使人們有可能在特定器官的背景下研究人類生理學(xué)過程，并因此引入了一種新的體外多細(xì)胞人類有機(jī)體模型。

微流控器官芯片的研究背景

器官芯片的原始推動(dòng)起于制藥產(chǎn)業(yè)。一個(gè)原創(chuàng)新藥一般要耗費(fèi)十幾億美元，耗時(shí)十幾年，效率極低，一個(gè)重要的原因就是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)存在的種屬差異。動(dòng)物試驗(yàn)是現(xiàn)今新藥開發(fā)的一個(gè)必需環(huán)節(jié)，但其存在成本過高，周期偏長(zhǎng)，倫理等諸多問題。特別在許多情況下，當(dāng)候選藥物進(jìn)入臨床試驗(yàn)時(shí)，往往發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物試驗(yàn)中看似很有希望的對(duì)像并不總是能對(duì)人類產(chǎn)生相同的結(jié)果，甚至顯示了嚴(yán)重的毒副作用，并因此造成前期研究的大量心血和巨額資金毀于一旦，付之東流。

人們或許會(huì)說，開展動(dòng)物試驗(yàn)是類似于美國(guó)或中國(guó)的食品和藥品管理局（FDA或CFDA）這樣的監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)制藥企業(yè)的要求，是的，但這只是因?yàn)楝F(xiàn)階段這些監(jiān)管機(jī)構(gòu)拿不出更好的辦法。

因此，制藥業(yè)需要更多的預(yù)測(cè)工具，以使候選藥物在更早階段、更少消耗時(shí)失敗。而微流控器官芯片就被認(rèn)為是替代，至少是部分替代，動(dòng)物試驗(yàn)一種極有可能的選擇。

微流控器官芯片的發(fā)展歷史

早在2000年代前期，康奈爾大學(xué)的Mike Shuler等首次提出用人體不同器官的細(xì)胞在芯片上構(gòu)建人體組織，模擬人體環(huán)境的設(shè)想。2010年，哈佛大學(xué)Donald Ingber等構(gòu)建芯片肺的工作在Science上發(fā)表，產(chǎn)生了顯著的影響，具有代表性。在這些工作基礎(chǔ)上，2011年9月16日，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬親自宣布啟動(dòng)由NIH，F(xiàn)DA和國(guó)防部牽頭,第一期總額為1.4億美金的基于芯片器官的“微生理系統(tǒng)”(microphysiological system，MPS system)，“以確保美國(guó)未來20年在新藥發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位”，并認(rèn)為，“仿生微流控芯片”能夠以令人難以想象的幅度降低新藥發(fā)現(xiàn)的成本和周期，給新藥開發(fā)帶來一次革命。項(xiàng)目自2012年正式啟動(dòng)，經(jīng)費(fèi)在此后的執(zhí)行過程中被不斷追加，一批核心高校參與了項(xiàng)目的主要工作，其中包括哈佛大學(xué)的肺芯片，威斯康星大學(xué)的腦芯片，加州大學(xué)伯克利分校的心芯片，霍普金斯大學(xué)的腸芯片，匹茲堡大學(xué)的肝芯片，華盛頓大學(xué)的腎芯片，杜克大學(xué)的血管芯片和哥倫比亞大學(xué)的皮膚芯片等。

2007-2009年期間，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的微流控芯片團(tuán)隊(duì)完成一系列的細(xì)胞培養(yǎng)，多種細(xì)胞的共培養(yǎng)和三維細(xì)胞共培養(yǎng)工作，課題組關(guān)于細(xì)胞水平高通量和高內(nèi)涵藥物篩選的研究，細(xì)胞水平藥物代謝研究，以及模式生物水平高通量藥物篩選研究的工作，在一年多時(shí)間內(nèi)連續(xù)三次被Lab on Chip雜志作為封面文章刊登，引起國(guó)際微流控芯片和藥物篩選領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。2009-2010年，他們又先后完成兔軟骨組織培養(yǎng)，以及帶有肝微粒體的藥物代謝等工作；2010年10月北京香山會(huì)議上，林炳承提出并正式啟動(dòng)微流控芯片仿生組織-器官的研究；2011年，大連理工大學(xué)羅勇微流控芯片藥學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成立，開始器官芯片研究；2012年，大連醫(yī)科大學(xué)劉婷姣團(tuán)隊(duì)開始微流控腫瘤芯片研究；2013年，科技部新藥重大專項(xiàng)課題“基于微流控芯片的新藥研究開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”啟動(dòng)，大連團(tuán)隊(duì)的器官芯片研究正式納入國(guó)家重大計(jì)劃。在差不多同一個(gè)時(shí)期，中科院納米中心蔣興宇團(tuán)隊(duì)也開始在血管芯片等方面開展了很好的工作。

微流控器官芯片的工作原理

這兒，以肺芯片為例加以說明，見下圖。

典型的肺芯片設(shè)計(jì)

制作一塊芯片，在芯片的槽道中設(shè)置三個(gè)并列的流體通道，兩邊的通道通真空，中間的用于植入細(xì)胞。在中間通道的正中間加一層有通透性的生物膜，膜上布滿小孔。用細(xì)胞外基質(zhì)的分子包裹薄膜，在這張薄膜的上面鋪滿一層肺細(xì)胞，細(xì)胞從肺的氣囊，肺泡中提取，薄膜的另一面鋪滿人肺毛細(xì)血管細(xì)胞。讓空氣在薄膜上面流通，培養(yǎng)基則在下面流動(dòng)。由此可以產(chǎn)生組織，因?yàn)榻M織是由連生細(xì)胞及與之結(jié)合的細(xì)胞間物質(zhì)集合而成一種構(gòu)造。兩個(gè)或兩個(gè)以上的組織聚集在一起，會(huì)形成不同的組織-組織界面，有可能產(chǎn)生功能。多種不同組織聯(lián)合構(gòu)成具有功能的結(jié)構(gòu)，可以被認(rèn)為是器官。為了產(chǎn)生功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)中空的側(cè)室，用循環(huán)吸力使兩側(cè)真空通道收縮，同時(shí)帶動(dòng)中間的通道一起伸展和放松，并讓伸展和放松的程度和頻率與人細(xì)胞在肺中呼吸時(shí)所做的類似，由此實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)皿等不可能實(shí)現(xiàn)的呼吸運(yùn)動(dòng)功能，這就模擬了人體肺泡在呼吸過程中收縮的生理過程。在此基礎(chǔ)上，還可模擬肺部感染的時(shí)候白細(xì)胞抵御細(xì)菌入侵的過程。在鋪有肺細(xì)胞的上層通道釋放病原菌，然后在下層通道里加入人體白細(xì)胞。當(dāng)白細(xì)胞感覺到病原菌侵入時(shí)，它們會(huì)從血液中進(jìn)入肺部，吞噬病原菌。如果要使整個(gè)免疫過程可視化，也可以對(duì)白細(xì)胞和病原菌進(jìn)行標(biāo)記，于是就可以在顯微鏡下看到白細(xì)胞在“血管”中穿梭，進(jìn)而穿過薄膜上的小孔，吞噬侵染肺細(xì)胞中被綠色標(biāo)記的病原菌。

用類似的思想，可以開發(fā)出不同的器官芯片，用以深入了解藥品、化學(xué)物質(zhì)、食物甚至是化妝品對(duì)人體的影響。

微流控器官芯片中的微環(huán)境

前已提及，微環(huán)境指的是器官周邊的細(xì)胞，周邊的各種因子，比如小肽，和周邊的物理力，在芯片器官基本確定之后，對(duì)微環(huán)境的精準(zhǔn)操控是器官芯片構(gòu)建成功與否的關(guān)鍵。

在上述肺芯片的案例中，有兩點(diǎn)值得關(guān)注。一是細(xì)胞從肺的氣囊，肺泡和肺毛細(xì)血管中提取，分置于薄膜兩側(cè)，配有空氣和培養(yǎng)基流動(dòng)，形成肺的核心結(jié)構(gòu)；二是用循環(huán)吸力使整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生呼吸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肺的關(guān)鍵功能。換句話說，毛細(xì)血管細(xì)胞、氣囊細(xì)胞及其周邊分子，以及膜所提供的柔韌、能夠伸展和彎曲的特性，連同流動(dòng)所產(chǎn)生的各種物理力等所有這些因素結(jié)合所產(chǎn)生的生理微環(huán)境，實(shí)際上可以創(chuàng)造一種組織-組織界面，對(duì)細(xì)胞功能的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生有力的影響，甚至有可能誘導(dǎo)這些細(xì)胞表現(xiàn)出非常類似于身體特定器官的功能。這樣一種觀點(diǎn)具有普適性。因?yàn)閷?shí)際上其他芯片器官也會(huì)具備類似的特征，比如芯片肝，芯片腸等等。對(duì)腸而言，當(dāng)然談不上呼吸運(yùn)動(dòng)，但是相應(yīng)的微環(huán)境能使我們得到蠕動(dòng)這樣一種關(guān)鍵特征，并能因此組織成手指狀的交叉或突起的絨毛，增加腸道吸收的表面積，排出粘液，實(shí)現(xiàn)吸收功能。長(zhǎng)期以來，人們沒能充分理解張力，壓力和剪切力等這些物理力在微環(huán)境中的重要性，但是事實(shí)是，正是這些物理力有力地促成了器官功能的顯現(xiàn)。因此，在分子層面，細(xì)胞層面，或是組織和器官層面，不可能只考慮化學(xué)因素，而把各種物理因素排斥在外。

最近Cell雜志報(bào)道，日本京都大學(xué)人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（hiPSC）研究與應(yīng)用中心的Koji Eto及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，血流的剪切應(yīng)力是血小板生成過程的一個(gè)關(guān)鍵的物理因素，而特別是當(dāng)這種剪切應(yīng)力形成湍流環(huán)境時(shí)，利用人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞可大規(guī)模產(chǎn)生多達(dá)1000億個(gè)血小板。這也是理解微流控器官芯片中力學(xué)微環(huán)境影響的一個(gè)案例。

類器官微流控芯片

類器官(Organoid)是用干細(xì)胞制造出來的微型器官，或稱迷你器官，它們是在體外產(chǎn)生的三維的微型和簡(jiǎn)化版的器官，具有器官的某些功能。類器官來源于組織、胚胎干細(xì)胞或誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞中的一種或幾種細(xì)胞，具有自我更新和分化能力，可以在三維培養(yǎng)中自我組織。自2010年代初以來，類器官的生長(zhǎng)技術(shù)得到了迅速的改進(jìn)，研究人員已經(jīng)能利用人的胚胎干細(xì)胞和其他干細(xì)胞培育多種類器官，包括肝、腎、胰腺、食管、肺、胃、腸、大腦、膀胱等，其中以類肝臟最為成功。類器官已被認(rèn)為是2013年最大的科學(xué)進(jìn)步之一，也已被用于在實(shí)驗(yàn)室研究疾病發(fā)生和治療。

把上述類器官置于微流控芯片上，使其受到可控的微量流體的作用，即可成為所說的類器官微流控芯片，Science雜志專門刊登一篇review論文，題目即為organoid-on-a-chip。類器官微流控芯片是器官芯片發(fā)展的最前沿之一。

微流控器官芯片的產(chǎn)業(yè)化

美國(guó)政府從2012年正式提出以器官芯片為基礎(chǔ)的“微生理系統(tǒng)”計(jì)劃，由DARPA和NIH等分別在5年的時(shí)間里提供了1.4億美元和7600萬美元的資金從國(guó)家層面來支持這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。與此同時(shí)，自2012年以來，科技開發(fā)商已向投資者籌集了逾8000萬美元用于同樣的目的。中國(guó)政府也在2012年前后通過科學(xué)技術(shù)部做出了安排，并從2016年起，支持力度顯著增加。

器官芯片的產(chǎn)業(yè)化尚在起步階段，2016年器官芯片設(shè)備和服務(wù)產(chǎn)品的總銷售額還不足1000萬美元?，F(xiàn)有的公司大都是從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室分拆出來的，目前正在通過與工業(yè)界的合作升級(jí)他們的芯片器官模型。

2010年代的前期，零星的器官芯片公司開始出現(xiàn)。Oxford的CN Bio公司用裝有12個(gè)微型肝臟的芯片做藥物的毒性試驗(yàn), 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)做同樣的試驗(yàn)，器官芯片所需的成本要較動(dòng)物試驗(yàn)大幅度下降。2015年前后，哈佛Wyss研究所組建了一家專門研究人體器官芯片的公司——Emulate Inc，并率先推出了器官芯片技術(shù)。Emulate擁有哈佛大學(xué)在全球范圍內(nèi)的獨(dú)家授權(quán)，可為該技術(shù)及相關(guān)系統(tǒng)提供強(qiáng)大而廣泛的知識(shí)產(chǎn)權(quán)組合。以器官芯片技術(shù)為基礎(chǔ)，該公司提出一種由器官芯片、儀器和軟件組成的人體仿真系統(tǒng)，可為人體內(nèi)部的生理運(yùn)作提供了高仿真窗口。這樣一種系統(tǒng)可為研究人員提供預(yù)測(cè)人類對(duì)疾病、藥物、化學(xué)物質(zhì)和食物產(chǎn)生的反應(yīng)，比細(xì)胞培養(yǎng)或動(dòng)物測(cè)試方法具有更高的精確度和控制能力，也可為“重現(xiàn)真實(shí)人體生物環(huán)境”設(shè)立新的標(biāo)準(zhǔn)，用于推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和安全保障。網(wǎng)上已有Emulate公司和美國(guó)FDA合作開展研究的報(bào)道。這家公司創(chuàng)立之初便獲得DARPA的3700萬美元的撥款，以及1200萬美元的A輪融資。2018年7月，他們又獲得3600萬美元的C輪募資，由風(fēng)險(xiǎn)投資公司Founders Fund領(lǐng)投。

除了Emulate之外，也已有一些國(guó)家成立了一些小型公司開始類似的操作，包括中國(guó)在內(nèi)，但目前看來。

一般認(rèn)為，從2017年到2022年，市場(chǎng)可能以38-57%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2022年達(dá)到6000萬至1.17億美元。當(dāng)然，這只是第一步。毫無疑問，器官芯片技術(shù)在中長(zhǎng)期內(nèi)可望成為一個(gè)數(shù)十億美元的市場(chǎng)，因?yàn)樗鼈兠磕甓伎赡軒椭扑幒突瘖y品等行業(yè)節(jié)省大量的研發(fā)費(fèi)用。倫理和道德問題也可能是這個(gè)新市場(chǎng)的核心，全世界每年都有幾億只動(dòng)物被用于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，而這些實(shí)驗(yàn)很有可能被一些微流控技術(shù)所取代。業(yè)界和政府機(jī)構(gòu)對(duì)一些獲得大量資金支持的器官芯片技術(shù)開發(fā)商寄予了巨大的期望。政府的支持在不斷增加，歐萊雅、輝瑞、羅氏和賽諾菲等公司已經(jīng)與器官芯片開發(fā)商建立了合作關(guān)系，相信這項(xiàng)技術(shù)將改變現(xiàn)有和正在開發(fā)的產(chǎn)品的功效和毒理學(xué)測(cè)試前景，而隨著大型制藥和化妝品公司開始使用器官芯片，這些投資很可能會(huì)繼續(xù)下去。

器官芯片技術(shù)仍面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，它必須證明能夠成功地將多個(gè)器官連接起來，準(zhǔn)確地模擬對(duì)藥物的全身反應(yīng)。有幾家公司正在研發(fā)多器官模型，但整體來說，“人體芯片”還遠(yuǎn)沒有成為現(xiàn)實(shí)。第二，為滿足不同的需求，器官芯片公司要通過不同類型的器官、設(shè)備類型和流程管理實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化?？梢钥紤]一種基于藥物研發(fā)不同階段對(duì)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行技術(shù)細(xì)分，并由此開展系列產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。根據(jù)市場(chǎng)需求的實(shí)際情況，大幅度提升產(chǎn)出水平。第三，要考慮設(shè)計(jì)的重要性，鑒于器官芯片對(duì)微流控技術(shù)的依賴性，微流控公司可和更多初創(chuàng)企業(yè)建立合作關(guān)系，甚至，可為器官芯片提出量身定做的方法，以顯示它們?cè)谶@方面的巨大潛力。最后，要及時(shí)考慮標(biāo)準(zhǔn)化及與現(xiàn)有設(shè)備的兼容性。