器官芯片簡介

器官芯片是復(fù)制活器官關(guān)鍵功能的微型工程仿生系統(tǒng)。它們?yōu)槟M復(fù)雜的細胞-細胞和細胞-基質(zhì)相互作用提供了比傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)更準確的模型。因此，它們可能是一種非常有趣的制藥和化學應(yīng)用工具。它們還可以研究特定器官的人體生理學，從而能夠開發(fā)新的體外疾病模型。

在3D細胞培養(yǎng)中，細胞在人工創(chuàng)造的微環(huán)境中培養(yǎng)，使它們能夠在所有三個維度上生長并與周圍環(huán)境相互作用。它們是幾種提供3D細胞培養(yǎng)優(yōu)勢的培養(yǎng)工具，如細胞外基質(zhì)或支架、旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器、微載體或懸掛滴盤。
與傳統(tǒng)的2D細胞培養(yǎng)相比，3D細胞培養(yǎng)為細胞提供了更接近體內(nèi)微環(huán)境的微環(huán)境，增強了分化功能的表達，改善了組織結(jié)構(gòu)。因此，3D球體是細胞遷移、分化和生長的改進模型。此外，3D培養(yǎng)的細胞表現(xiàn)出更好的極化程度，并表現(xiàn)出與2D培養(yǎng)的細胞不同的基因表達水平。例如，3D細胞培養(yǎng)可以用來在健康和癌癥的乳腺組織模型中模擬腺泡結(jié)構(gòu)(類似于多葉漿果的細胞團，如覆盆子，腺泡在拉丁語中是“漿果”的意思)。這些球體比傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)更適合于長期藥物篩選。

從3D細胞培養(yǎng)到器官芯片

然而，3D細胞培養(yǎng)無法再現(xiàn)對其功能至關(guān)重要的活器官的特征，如組織-組織界面(例如，上皮和血管上皮之間)、化學物質(zhì)或氧氣梯度或微環(huán)境的機械作用。為了更好地模擬生物器官的微觀結(jié)構(gòu)、動態(tài)機械性能和生化功能，芯片上的器官利用微流體和微制造的優(yōu)點來克服這些限制。

細胞生物學的微細加工技術(shù)

器官芯片依賴于兩項核心技術(shù)。第一種是微流體，它可以操縱少量的液體，并可以精確地控制流體流動或產(chǎn)生濃度梯度。有了微流控技術(shù)，營養(yǎng)素和其他化學線索可以以一種非常受控的方式傳遞。第二種是微制造(光刻、復(fù)制模塑、微接觸印刷)，它非常適合于創(chuàng)建微結(jié)構(gòu)，從而允許控制細胞的形狀和功能。

早期的微系統(tǒng)使用硅微制造，導(dǎo)致復(fù)雜而昂貴的微制造工藝。為了克服這一限制，研究人員開發(fā)了由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的微流控系統(tǒng)。PDMS具有幾個特性，使其特別適合于制造用于細胞或組織培養(yǎng)的微型設(shè)備。首先，PDMS具有豐富的氣體滲透性，確保微通道內(nèi)細胞的氧氣供應(yīng)。這消除了對外部氧合器的需要，而在硅、玻璃或塑料設(shè)備中培養(yǎng)細胞通常需要外部氧合器。然后，由于其光學透明性，PDMS能夠進行活細胞成像。最后，PDMS非常靈活，允許使用芯片上的閥門或通過PDMS的局部變形對電池施加機械作用。然而，PDMS也有缺點。用于細胞培養(yǎng)的PDMS的主要缺點是其表面傾向于吸附小分子。有關(guān)更多信息，請參閱我們對生物學中的PDMS的評論。

芯片上的器官模型

工業(yè)或?qū)W術(shù)實驗室已經(jīng)開發(fā)了廣泛的組織模型。在這里，我們提供一些芯片上器官模型的簡短概述。

腸道芯片模型

這種芯片上的器官是藥物篩選的一個非常重要的模型。口服給藥時，藥物主要被小腸吸收，然后通過兩個屏障擴散：粘液層和腸壁上皮細胞層。芯片上的腸是一個復(fù)雜的模型，應(yīng)該考慮幾個特征：細胞組成(主要是腸細胞和杯狀細胞)、結(jié)構(gòu)特征(絨毛和粘液)和動態(tài)特征(腸道運動，稱為蠕動)。

Kimura等人創(chuàng)建了一個腸道模型，該模型有兩個獨立的通道，由半透膜隔開，細胞接種和培養(yǎng)在該膜上。
哈佛大學的懷斯研究所也利用同樣的原理實現(xiàn)了一種“芯片上的腸道”，它也可以周期性地伸展，以模擬腸道的蠕動。此外，研究人員還能夠在這個芯片器官內(nèi)培養(yǎng)出常見的腸道微生物。

肝臟器官芯片

肝器官芯片是評估藥物毒性的關(guān)鍵因素。事實上，一半的藥物停藥是因為急性肝毒性。
Midwoud等人開發(fā)了一種芯片上的微流控肝臟，它將肝臟和腸道切片整合到隔室中，并在隔室之間順序灌流，以研究器官間的相互作用。

肺器官芯片

肺上皮細胞受到廣泛的環(huán)境攻擊，如病原體或污染。因此，肺器官芯片將是環(huán)境應(yīng)用的一個很好的模型。Huh等人在柔性膜上培養(yǎng)上皮、肺泡上皮和免疫細胞。在下通道中泵入培養(yǎng)液以模擬通過肺微血管的血液流動。兩側(cè)的中空通道周期性地充氣和放氣，以模擬生理呼吸運動。

腫瘤微流控芯片

癌癥研究面臨的最大挑戰(zhàn)之一是開發(fā)針對癌細胞但不影響健康細胞的藥物。已經(jīng)開發(fā)了不同的策略來創(chuàng)建相關(guān)的腫瘤模型，包括多細胞球體模型、中空纖維模型和多細胞層模型。灌流系統(tǒng)被用來向這些3D模型輸送治療劑，模擬腫瘤細胞的血液供應(yīng)。

肌肉微流控芯片

骨骼肌在糖尿病中起著重要作用，因為它們對血糖穩(wěn)態(tài)有貢獻。芯片上的骨骼肌模型需要結(jié)構(gòu)特征(肌管對齊和組裝成肌角)和嵌入電極的存在來刺激肌肉收縮。芯片上肌管的對準是通過襯底圖案化或剛性來實現(xiàn)的。Kaji等人通過使用微電極陣列單獨控制肌管，證明了肌管的收縮能力和葡萄糖攝取之間的正相關(guān)。

多種多樣的器官芯片

所有這些芯片上的器官都可以用來預(yù)測藥物對全身的毒性。在這些片上動物或片上人系統(tǒng)中，代表不同器官的多個芯片通過通道連接。然而，盡管在這一領(lǐng)域取得了重大突破，但仍存在一些挑戰(zhàn)，如使用人類原代細胞代替癌細胞系，監(jiān)測細胞對刺激的反應(yīng)，或控制微環(huán)境的質(zhì)量(代謝物、氧氣飽和度、pH)。