從跳動的心臟到會呼吸的肺，器官芯片已經(jīng)成為人類生物學(xué)研究中最熱門的新興工具之一。盡管與人體部位相比，這些器件可能更接近計(jì)算機(jī)組件，科學(xué)家們已經(jīng)為所有器官創(chuàng)建了工作模型，包括肝臟、肺，甚至是女性生殖系統(tǒng)。

研究人員希望使用這些器件來模擬疾病并促進(jìn)藥物開發(fā)。哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所主任Donald Ingber向《科學(xué)家》雜志表示，“我認(rèn)為對大多數(shù)人來說，共同目標(biāo)是以更有效的方式取代動物實(shí)驗(yàn)并展開個(gè)性化醫(yī)療。

1.小型肺

一款具有充滿氣體（黃色）和中等填充血樣（藍(lán)色）通道的肺泡芯片，內(nèi)部均排列了人體細(xì)胞，以模仿器官功能

Wyss研究所的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出15種不同的人體器官芯片。研究所開發(fā)的第一款器官芯片是肺器官芯片，是一款透明、U盤大小擁有兩條通道的器件，空氣填充的上層通道排列有肺泡上皮細(xì)胞，下層通道排列有血管細(xì)胞，含有白細(xì)胞的溶液會從通道中流過。

為了更接近地模擬人類生物學(xué)，研究人員利用真空使主通道內(nèi)的中空管變形，借此來模擬呼吸運(yùn)動。

“研究團(tuán)隊(duì)在芯片上的創(chuàng)新基于我的研究，結(jié)果顯示，對于組織開發(fā)、維護(hù)和功能而言，機(jī)械外力和化學(xué)、基因?qū)W一樣重要，”Ingber指出，“這款肺泡芯片能夠?yàn)槟M正常器官的生理水平和疾病，發(fā)掘物理力的重要性，尋找新的治療靶點(diǎn)，更甚至研發(fā)出新型藥物，提供原理論證?！?/span>

Ingber及其同事也將機(jī)械外力引入了其它器官芯片，例如模擬腸蠕動運(yùn)動的腸道芯片，以及模擬血管脈沖的腎臟芯片。

呼吸道芯片上的人體支氣管上皮圖像特寫，粘液轉(zhuǎn)運(yùn)纖毛（粉紅色）從上皮細(xì)胞（藍(lán)綠色）伸出到充滿空氣的管腔

研究團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)明之一是氣道芯片，除了被取代的肺泡細(xì)胞，該器件類似于最初的肺芯片，芯片上排列著人體支氣管上皮細(xì)胞。研究團(tuán)隊(duì)利用這些芯片模擬慢性阻塞性肺氣腫疾病及哮喘。他們也使用這些器件研究吸煙對支氣管上皮細(xì)胞的影響，這些器件會被連到一臺能夠點(diǎn)燃香煙并呼出煙霧，類似人類吸煙行為的機(jī)器。

2.創(chuàng)建血腦屏障

神經(jīng)血管單元（Illustration of the NeuroVascular Unit, NVU）芯片圖例，這是一款人類血腦屏障模型。多孔膜分離了大腦建模腔室和代表周圍血管系統(tǒng)的腔室

來自范德堡大學(xué)（Vanderbilt University）的生物醫(yī)學(xué)工程師John Wikswo及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)造出一款能夠研究大腦和血腦屏障的芯片。

Wikswo writes在采訪郵件中告訴《科學(xué)家》雜志，“我們之所以選擇研究人體神經(jīng)血管單元，是因?yàn)槠べ|(zhì)神經(jīng)元和保護(hù)它們的血腦屏障（blood-brain barrier, BBB）之間的相互作用極其重要，因此把它稱為神經(jīng)血管單元?！?/span>

人體神經(jīng)血管單元芯片由一個(gè)微型腔體構(gòu)成，該微型腔體通過一個(gè)多孔膜分隔出一個(gè)代表大腦的腔室以及一個(gè)代表周圍血管系統(tǒng)的腔室。芯片上含有來自人體的皮層神經(jīng)元、微血管內(nèi)皮細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和血管周圍細(xì)胞。根據(jù)Wikswo的說法，這種組織結(jié)構(gòu)“使我們能夠研究神經(jīng)元和其它細(xì)胞對通過血腦屏障傳遞出來的藥物和炎癥信號的代謝反應(yīng)”。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將神經(jīng)血管單元芯片納入一系列應(yīng)用，例如調(diào)查疾病狀態(tài)并研究炎癥對疾病的影響。目前，該團(tuán)隊(duì)也正在啟動一個(gè)新項(xiàng)目，利用這項(xiàng)技術(shù)幫助制藥行業(yè)進(jìn)行藥物測試。

3.跳動的心臟

芯片上實(shí)驗(yàn)小白鼠心臟組織的顯微圖像，心肌細(xì)胞（紅色）、細(xì)胞核（藍(lán)色）和肌動蛋白（綠色）

Megan McCain是南加州大學(xué)（University of Southern California）生物醫(yī)學(xué)工程的一名教授，致力于心臟芯片的研究，橡皮擦尺寸大小的器件內(nèi)可以容納活的、跳動的心臟細(xì)胞。創(chuàng)建該器件的第一步是從患者身上提取皮膚細(xì)胞并將其重新編程成干細(xì)胞，之后將其培養(yǎng)成心肌細(xì)胞。第二步是將這些細(xì)胞放在通過生物工程制成的芯片表面上，從而創(chuàng)建心臟的自然環(huán)境。McCain指出，“我們感興趣的關(guān)鍵指標(biāo)是力的生成?！?/span>

2014年，當(dāng)時(shí)還供職于Wyss研究所的McCain使用心臟芯片模擬了巴氏癥候群（Barth syndrome），這是一種罕見的，與心肌減弱有關(guān)的遺傳性疾病。目前，她的團(tuán)隊(duì)正致力于使用心臟芯片研究其它疾病。McCain告訴《科學(xué)家》雜志，“建立疾病模型是我認(rèn)為心臟芯片所能發(fā)揮的最大作用，尤其是遺傳性疾病。即使我們給出基因剔除鼠模型，我們也無法捕獲人體疾病的方方面面?！?/span>

5.仿真眼

擁有微流控通道（黃色）的眼睛芯片，能夠?qū)I養(yǎng)物質(zhì)帶給位于圓形支架中心的細(xì)胞。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一個(gè)微工程眼瞼，能夠在芯片上模擬眨眼

曾經(jīng)在Ingber實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)的博士后，來自賓西法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）的生物工程教授Dan Huh和他的同事創(chuàng)建了這款眼睛芯片，以及能夠眨眼的眼瞼。

該芯片的尺寸和形狀與隱形眼鏡大致相同，接近眼表大小。芯片上包含來自角膜和結(jié)膜（覆蓋眼睛的粘膜層）的人體細(xì)胞。研究團(tuán)隊(duì)也設(shè)計(jì)了眼瞼，附在芯片表面模擬眨眼的效果，幫助保持芯片表面的潤滑。

Huh說道，“我們發(fā)現(xiàn)眨眼運(yùn)動對眼球表面組織的維持至關(guān)重要，我們正在利用該平臺模擬某些慢性眼睛疾病，如干眼癥?！备鶕?jù)Huh的說法，他的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用眼睛芯片來模擬其它眼睛狀況，用于藥物測試和開發(fā)，以及進(jìn)一步測試和優(yōu)化隱形眼鏡。該團(tuán)隊(duì)目前也正在開發(fā)視網(wǎng)膜芯片。

“眼睛是我們實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一?！盚uh強(qiáng)調(diào)道，他和他的團(tuán)隊(duì)也研究其它各類器官芯片，包括肺和胎盤。

5.模擬月經(jīng)

EVATAR是一款口袋大小的女性生殖系統(tǒng)模型，血樣流體（藍(lán)色）將流經(jīng)含有微型器官的孔

許多研究團(tuán)隊(duì)都想要將不同的器官芯片整合，以重新創(chuàng)建器官系統(tǒng)，甚至是整個(gè)人體模型。西北大學(xué)（Northwestern University）婦產(chǎn)科教授Teresa Woodruff及其同事在一塊手掌大小的芯片上整合了五種微型器官，成功建立了女性生殖道模型。

這款被稱為EVATAR的芯片由一系列管道和微泵構(gòu)成，流經(jīng)細(xì)胞的藍(lán)色的血樣流體內(nèi)包含5種迷你器官：輸卵管、子宮、陰道、卵巢和肝臟。Woodruff表示，“該系統(tǒng)幫助我們實(shí)現(xiàn)以攜帶新鮮營養(yǎng)、移除廢物的方式運(yùn)送介質(zhì)，這種運(yùn)行方式與人體無異?！蓖ㄟ^向循環(huán)液中增加激素的方式，該團(tuán)隊(duì)得以模擬28天的月經(jīng)周期。

該研究團(tuán)隊(duì)希望利用EVATAR來闡明生殖生理及其相關(guān)疾病，以及相關(guān)的藥物測試和研發(fā)。他們也在研究一款男性版本的芯片，并將其命名為ADATAR。

6.互聯(lián)

研究人員將多器官平臺連接到相關(guān)軟件，每個(gè)孔都連接有一個(gè)微型生理系統(tǒng)，如肺、腸道，或中樞神經(jīng)系統(tǒng)，流體流經(jīng)通道以模擬生理心臟輸出

來自麻省理工學(xué)院（MIT）的生物工程教授Linda Griffith及其同事是由美國政府國防高級研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency, DAPRA）資助項(xiàng)目的兩組團(tuán)隊(duì)之一，他們創(chuàng)建了“身體芯片”，將10種不同的迷你器官系統(tǒng)與集成電路連接。另一組團(tuán)隊(duì)來自Wyss研究所。

根據(jù)Griffith的發(fā)言，他的團(tuán)隊(duì)最近“完成了DARPA的一個(gè)重要里程碑，在一個(gè)月內(nèi)將10款器官微生理系統(tǒng)連接在了一起?！?/span>

連接多種器官芯片，能夠幫助研究人員了解器官之間的相互作用。在他們最新的一次試驗(yàn)中，Griffith及其團(tuán)隊(duì)研究了炎癥在相互連接的人體腸芯片和肝臟芯片中的作用。這項(xiàng)研究顯示了除其它影響因素外，兩個(gè)器官之間的串?dāng)_是如何影響基因表達(dá)和組織特異性功能的。

Griffith說道，“我認(rèn)為目前該領(lǐng)域正處于思考器官內(nèi)和器件間多種細(xì)胞類型相互作用的復(fù)雜生理學(xué)的早期階段，尤其是當(dāng)涉及到組織細(xì)胞與免疫系統(tǒng)相互作用的情況。我們的項(xiàng)目很大部分的關(guān)注重點(diǎn)在免疫學(xué)領(lǐng)域?！?/span>

人體芯片的藝術(shù)表現(xiàn)接近于體外生物學(xué)，生物工程設(shè)備培養(yǎng)了許多能夠代表每個(gè)器官最小功能單元的3D組織培養(yǎng)

7.太空中的大腦芯片

Emulate的器官芯片，如大腦芯片，包含排列成千上萬活的人體細(xì)胞和組織的微小中空通道，每個(gè)都有大約AA電池（5號電池）大小

為了將Wyss研究所開發(fā)的器官芯片技術(shù)商業(yè)化，初創(chuàng)公司Emulate誕生了，公司產(chǎn)品包括肺心片、肝芯片和腸芯片。雖然上述芯片具有不同的細(xì)胞類型和功能，但標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使它們的外觀看起來很相似。該公司最近宣布了將其大腦芯片發(fā)送到國際空間站（International Space Station）的計(jì)劃，用于研究除其它因素外，血腦屏障、壓力和炎癥將如何影響腦功能。

該公司的腦芯片包含神經(jīng)元和血管內(nèi)皮細(xì)胞，可用于模擬生理和血腦屏障。Emulate公司的總經(jīng)理兼首席科學(xué)官Geraldine Hamilton解釋道，“我們不僅僅是重建整個(gè)大腦模型，也包括器官的最小功能單元。在上述情境中，我們采取由微血管內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和周細(xì)胞構(gòu)成的血腦屏障，這些細(xì)胞以特定方式進(jìn)行相互作用，也需要以特定方式進(jìn)行組織，這就是我們在大腦芯片——如此小的尺寸上需要重新創(chuàng)建的東西。”（文章來源：麥姆斯咨詢轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）