摘要

芯片器官(OOAC)是十大新興技術(shù)之一，指的是建立在微流控芯片上的生理器官仿生系統(tǒng)。通過細(xì)胞生物學(xué)、工程學(xué)和生物材料技術(shù)的結(jié)合，芯片的微環(huán)境在組織界面和機(jī)械刺激方面模擬了器官的微環(huán)境。這反映了人體組織的結(jié)構(gòu)和功能特征，并可以預(yù)測(cè)對(duì)包括藥物反應(yīng)和環(huán)境影響在內(nèi)的一系列刺激的反應(yīng)。OOAC在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和生物防御策略中有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了OOAC的概念，并從不同器官的角度綜述了OOAC在生理模型構(gòu)建、藥物開發(fā)、毒理學(xué)等方面的應(yīng)用。我們進(jìn)一步討論了存在的挑戰(zhàn)，并對(duì)其應(yīng)用提供了未來的展望。

背景

微流體學(xué)是一門精確操縱和處理微尺度流體的科學(xué)技術(shù)。它通常用于精確控制微流控(10?9到10?18 L)流體，使用的通道大小從幾十微米到幾百微米，被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”。微通道很小，但具有較大的表面積和高傳質(zhì)能力，有利于其在微流控技術(shù)應(yīng)用中的應(yīng)用，包括試劑使用量低、體積可控、混合速度快、響應(yīng)快以及物理化學(xué)性質(zhì)的精確控制。微流控集樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)和細(xì)胞培養(yǎng)、分選和細(xì)胞裂解等基本操作單元于一體，出于這些原因，人們對(duì)OOAC的興趣增強(qiáng)了。OOAC結(jié)合了一系  列化學(xué)、生物和材料科學(xué)學(xué)科，并被世界經(jīng)濟(jì)論壇選為“十大新興技術(shù)”之一。
OOAC是一種仿生系統(tǒng)，可以模擬生理器官的環(huán)境，具有調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)的能力，包括濃度梯度、剪切力、細(xì)胞構(gòu)型、組織邊界和組織-器官相互作用。OOAC的主要目標(biāo)是模擬人體器官的生理環(huán)境。
人體生理學(xué)是研究人體及其器官系統(tǒng)功能的科學(xué)。這對(duì)于我們理解人體的功能障礙和發(fā)病機(jī)制具有重要意義，因此與醫(yī)學(xué)、藥物開發(fā)和毒理學(xué)領(lǐng)域密切相關(guān)。研究人類生理學(xué)最相關(guān)和最直接的方法是研究人體或模型生物的活體實(shí)驗(yàn)。身體的功能依賴于許多較低層次的組成部分的相互作用和適應(yīng)，如組織、細(xì)胞、蛋白質(zhì)和基因。因此，僅僅通過活體研究來揭示生理現(xiàn)象的潛在機(jī)制是具有挑戰(zhàn)性的。此外，藥物開發(fā)和毒理學(xué)需要評(píng)估數(shù)千種化合物的生理效應(yīng)。由于體內(nèi)測(cè)試的低通量的限制，生物學(xué)家使用體外細(xì)胞培養(yǎng)。細(xì)胞培養(yǎng)是指細(xì)胞在受控環(huán)境中的生長(zhǎng)和維持。幾十年來，傳統(tǒng)的二維(2D)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)形成了生命科學(xué)研究的重要平臺(tái)。利用2D系統(tǒng)，通過培養(yǎng)細(xì)胞或細(xì)胞產(chǎn)品來研究各種細(xì)胞的功能。然而，2D系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地模擬活體組織/器官、器官內(nèi)相互作用和微環(huán)境因素的生理表現(xiàn)，通常需要在活體動(dòng)物模型中進(jìn)行驗(yàn)證。由于物種差異，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)往往無法復(fù)制人體實(shí)驗(yàn)，而且由于高昂的成本和倫問題，使用動(dòng)物作為藥物測(cè)試的模型受到了審查。在臨床前試驗(yàn)中，對(duì)人體組織環(huán)境的不充分描述可能導(dǎo)致對(duì)整體組織功能的綜合影響的不準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。OOAC旨在通過提供更多生理模型系統(tǒng)來克服這些缺點(diǎn)。OOAC被認(rèn)為是未來實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的替代技術(shù)。
本文介紹了OOAC技術(shù)的最新進(jìn)展，并對(duì)其在細(xì)胞生物學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。

器官芯片的設(shè)計(jì)理念和關(guān)鍵部件

設(shè)計(jì)理念

培養(yǎng)系統(tǒng)需要控制細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境。OOAC與微加工和細(xì)胞生物學(xué)相結(jié)合，可以控制外部參數(shù)并準(zhǔn)確模擬生理環(huán)境。芯片上需要?jiǎng)討B(tài)機(jī)械應(yīng)力、流體剪切和濃度梯度。細(xì)胞圖案化也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)，以充分反映生理過程。

流體剪切力
      微流體可以通過微泵灌流實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，這有助于營養(yǎng)物質(zhì)的管理和廢物的及時(shí)排放。細(xì)胞所處的動(dòng)態(tài)環(huán)境比靜態(tài)培養(yǎng)更接近體內(nèi)條件。此外，流體剪應(yīng)力還會(huì)引起器官的極性。重要的是，OOAC通過激活細(xì)胞表面分子和相關(guān)的信號(hào)級(jí)聯(lián)，對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的正常生物功能施加必要的物理壓力。同樣，在OOAC設(shè)備中加入液體可以在單個(gè)器官層面進(jìn)行生物學(xué)評(píng)估。OOAC系統(tǒng)總結(jié)了通過芯片上簡(jiǎn)單的“搖桿”流體運(yùn)動(dòng)，或通過更復(fù)雜的可編程的“脈動(dòng)”格式的流動(dòng)，為組織特定的配置安排在單個(gè)循環(huán)中。

濃度梯度
      在微觀尺度上，流體主要以層流形式流動(dòng)，導(dǎo)致生化分子的穩(wěn)定梯度，在空間和時(shí)間上都受到控制。由濃度梯度驅(qū)動(dòng)的各種生化信號(hào)存在于生物現(xiàn)象中，包括血管生成、侵襲和遷移。微流體通過微閥和微泵改變流量和通道幾何形狀，模擬人體內(nèi)復(fù)雜的生理過程，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的三維生化濃度梯度。

動(dòng)態(tài)機(jī)械應(yīng)力

正常的日常器官壓力包括血壓、肺壓和骨壓。這些壓力在維持骨骼肌、骨骼、軟骨和血管等機(jī)械應(yīng)力組織方面發(fā)揮著重要作用。微流體使彈性多孔膜能夠產(chǎn)生周期性的機(jī)械應(yīng)力。這種機(jī)械刺激被認(rèn)為是生理過程中分化的關(guān)鍵決定因素。

細(xì)胞構(gòu)圖
       人體的組織需要復(fù)雜有序的多個(gè)細(xì)胞的排列，以形成一個(gè)功能完整的全身相互作用。微流體控制細(xì)胞構(gòu)型，用于構(gòu)建復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的體外生理模型。表面修飾、模板和3D打印有助于芯片上的單元圖案化。3D打印方法允許形成具有復(fù)雜通道的水凝膠支架，從而實(shí)現(xiàn)多尺度細(xì)胞圖案化。3D打印的優(yōu)勢(shì)是允許用戶定義的數(shù)字面具提供細(xì)胞圖案的多功能性，這對(duì)于體外重建細(xì)胞微環(huán)境至關(guān)重要。Li等人。開發(fā)了使用受控的拓?fù)洳僮髟诓Ａ酒蠈?shí)現(xiàn)快速異型細(xì)胞圖案化的方法。這種方法在一塊玻璃芯片上結(jié)合了聚醋酸乙烯酯涂層、二氧化碳激光消融和連續(xù)細(xì)胞種子技術(shù)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)受控的上皮-間充質(zhì)相互作用。此外，具有類似特性的間充質(zhì)細(xì)胞也可以在玻璃片上圖案化。該方法可用于皮膚上皮-間充質(zhì)相互作用的大規(guī)模研究和藥物檢測(cè)，也可用于其他細(xì)胞的圖案化。

關(guān)鍵組件
       OOAC涉及四個(gè)關(guān)鍵組成部分，包括(1)微流體；(2)活細(xì)胞組織；(3)刺激或藥物輸送；以及(4)傳感器。微流控部件是指使用微流控將靶細(xì)胞輸送到預(yù)先指定的位置，并且包括在培養(yǎng)過程中的培養(yǎng)液輸入和廢液排放系統(tǒng)。通常，該組件的特點(diǎn)是小型化、集成化和自動(dòng)化?；罴?xì)胞組織組件是指在2D或3D系統(tǒng)的情況下空間對(duì)準(zhǔn)特定細(xì)胞類型的組件。3D排列通常是通過添加水凝膠等生物兼容材料來創(chuàng)建的。這些材料可以防止機(jī)械損傷，并形成立體排列。盡管與2D模型相比，3D組織結(jié)構(gòu)更準(zhǔn)確地模擬了體內(nèi)的情況，但由于技術(shù)和成本的限制以及細(xì)胞外基質(zhì)的組裝和血管系統(tǒng)的預(yù)置和形成，器官組織中的活細(xì)胞大多仍是在2D模型中培養(yǎng)的。對(duì)于某些組織，需要物理或化學(xué)信號(hào)來模擬生理微環(huán)境，從而促進(jìn)微組織的成熟和功能。例如，電刺激可以幫助心肌組織成熟。不同的信號(hào)刺激可用于藥物篩選方法，用于檢測(cè)和編譯數(shù)據(jù)的傳感組件可以是嵌入式傳感輸出組件或基于透明芯片的視覺功能評(píng)估系統(tǒng)。使用自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)多細(xì)胞OOAC進(jìn)行成像，產(chǎn)生詳細(xì)的細(xì)胞表型和用于測(cè)量的統(tǒng)計(jì)模型。凱恩等人。開發(fā)了一種在3D微流體環(huán)境中監(jiān)測(cè)細(xì)胞的細(xì)胞系統(tǒng)。這些檢測(cè)以延時(shí)成像顯微鏡為特色，通過質(zhì)量控制來評(píng)估細(xì)胞的電活動(dòng)。一個(gè)有意義的芯片上人細(xì)胞模型，如果沒有微型傳感器對(duì)系統(tǒng)中特征點(diǎn)的代謝狀態(tài)的讀取，就無法描述和訪問。

新興的OOAC技術(shù)

肝臟OOAC
       肝臟系統(tǒng)是藥物/毒素代謝的主要部位。肝臟由一系列復(fù)雜的肝小葉組成，這些小葉提供多細(xì)胞功能通訊。在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持肝細(xì)胞的生理學(xué)是具有挑戰(zhàn)性的。凱恩等人設(shè)計(jì)了第一個(gè)基于肝臟的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微流控微孔組成，其中3T3-J2成纖維細(xì)胞和大鼠肝細(xì)胞共培養(yǎng)以模擬呼吸道界面(圖1)。在芯片中培養(yǎng)的大鼠肝細(xì)胞可以持續(xù)穩(wěn)定地合成白蛋白并進(jìn)行代謝。Lee等人設(shè)計(jì)了一種反映內(nèi)皮細(xì)胞和培養(yǎng)的原代肝細(xì)胞間質(zhì)結(jié)構(gòu)的芯片，在縫隙外灌入培養(yǎng)液。這種可滲透的內(nèi)皮間隙將以索狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的肝細(xì)胞隔開，允許它們與外部血竇區(qū)域分離，同時(shí)保持有效的物質(zhì)交換。Ho等人使用電泳法產(chǎn)生的徑向電場(chǎng)梯度將細(xì)胞圖案化到圓形聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片上。這些新技術(shù)模擬了肝臟小葉的結(jié)構(gòu)。Hegde等人制作了一個(gè)2層芯片，該芯片使用多孔的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜分離通道，并通過上腔將膠原和纖維連接蛋白磨碎的大鼠原代肝細(xì)胞連續(xù)灌流到下通道中。

基于DLM的單芯片肝臟腫瘤示意圖。A：從天然肝臟制備DLM溶液；B: 設(shè)備各種組件(頂部和底部、頂部和底部微通道、PET膜、進(jìn)氣口和出氣口)及其各自尺寸的3D示意圖

為了改進(jìn)生理模型，微流控芯片采用了3D肝細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。Ma等人制作了肝臟球體原位灌流的仿生平臺(tái)。Yum等人生產(chǎn)了研究肝細(xì)胞如何影響其他類型細(xì)胞的系統(tǒng)，高通量檢測(cè)是用來評(píng)估肝細(xì)胞藥物毒性的。Riahi等人生產(chǎn)了微流控電化學(xué)芯片免疫傳感器，用于檢測(cè)肝臟毒性過程中產(chǎn)生的生物標(biāo)志物。Chong等人通過評(píng)估代謝物的產(chǎn)生和抗原提呈細(xì)胞(APC)的激活，制作了監(jiān)測(cè)藥物皮膚致敏的化驗(yàn)。該系統(tǒng)具有作為藥物篩選平臺(tái)的價(jià)值，以識(shí)別產(chǎn)生全身皮膚反應(yīng)的化合物。盧等人通過將脫細(xì)胞肝基質(zhì)(DLM)與明膠甲基丙烯酰基(GelMA)相結(jié)合來反映三維腫瘤微環(huán)境(TME)，開發(fā)了仿生肝腫瘤。該系統(tǒng)為未來的一系列抗癌藥理研究提供了改進(jìn)的疾病模型。此外，還測(cè)試了一些疾病或受傷狀態(tài)。康等人使用他們的系統(tǒng)分析了乙肝病毒的病毒復(fù)制。周等人開發(fā)了一個(gè)用于模擬酒精損傷的系統(tǒng)。在代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)和表觀基因組分析中對(duì)培養(yǎng)細(xì)胞質(zhì)的進(jìn)一步表征將有助于改善這些研究的功能結(jié)果。

肺器官芯片
肺內(nèi)的氣體交換由肺泡調(diào)節(jié)，肺泡在體外繁殖可能是一種挑戰(zhàn)。微流體可以通過精確的流體流動(dòng)和持續(xù)的氣體交換來建立體外肺模型和肺病理。目前的研究主要集中在呼吸道機(jī)械壓力的調(diào)節(jié)、血-血屏障(BBB)和剪切力對(duì)病理生理過程的影響。哈等人制作了芯片上肺模型，使用軟光刻技術(shù)將芯片分成多個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域由帶有細(xì)胞外基質(zhì)的10μm PDMS膜分隔。PDMS上部有肺泡上皮細(xì)胞，而下部有人肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞，因此模擬了肺泡-毛細(xì)血管屏障。在真空下改變膜的結(jié)構(gòu)，以模擬呼吸過程中肺泡的擴(kuò)張/收縮。炎癥刺激通過中性粒細(xì)胞進(jìn)入系統(tǒng)，中性粒細(xì)胞被傳遞到液體通道。這通過引入白細(xì)胞介素2(IL-2)產(chǎn)生了肺水腫的病理模型。這突顯了OOAC模型在改進(jìn)當(dāng)前體內(nèi)分析方面的效用。

肺器官芯片：A，利用間隔的PDMS微通道，在涂有ECM的多孔柔性PDMS膜上形成了肺泡-毛細(xì)血管屏障。該裝置通過真空復(fù)制呼吸運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)械拉伸和形成肺泡-毛細(xì)血管屏障；B吸入后，隔膜收縮，降低胸膜壓力。肺泡-毛細(xì)血管界面因肺泡張力而拉伸；C裝置發(fā)育：血漿暴露后，上下通道之間的多孔膜不可逆轉(zhuǎn)地結(jié)合；D PDMS穿過通道一側(cè)，然后在真空壓力下被移除。E設(shè)備的實(shí)際圖像

2015年，Stucki等人報(bào)告了一個(gè)模仿肺實(shí)質(zhì)的肺芯片。該系統(tǒng)包括一個(gè)肺泡屏障和模擬呼吸的3D循環(huán)應(yīng)變，代表了第一個(gè)模擬呼吸的彈性膜擴(kuò)張模型。Blume等人制作了3D呼吸道培養(yǎng)模型，模擬了通過液體和介質(zhì)交換的肺間質(zhì)流動(dòng)。這使得對(duì)上皮屏障進(jìn)行更深入的生理學(xué)研究成為可能。該模型使用帶有可滲透過濾器的支架作為單個(gè)組織培養(yǎng)腔，并結(jié)合多個(gè)腔以提高集成度。在芯片肺中，在通過微流體系統(tǒng)模擬肺氣液界面和呼吸擴(kuò)張的同時(shí)，可以對(duì)肺泡和連接的毛細(xì)血管施加壓力，提供剪切流分布。這逼真地模擬了肺部環(huán)境。Humayun等人在水凝膠膜的不同側(cè)培養(yǎng)呼吸道上皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞，以評(píng)估其作為生理模型的適宜性。該系統(tǒng)與微環(huán)境線索和毒素暴露相結(jié)合，作為慢性肺部疾病的生理模型。Yang等人制備了聚(乳酸-乙醇酸)(PLGA)電紡納米纖維膜，作為細(xì)胞支架的芯片基質(zhì)。鑒于該系統(tǒng)的簡(jiǎn)便性，它適用于肺腫瘤的精確治療，并強(qiáng)調(diào)了組織工程的方法。
      肺組織器官芯片作為植入式呼吸輔助裝置很有用。彭等人設(shè)計(jì)了肺輔助裝置(LAD)，允許早產(chǎn)兒在呼吸衰竭期間在胎盤中進(jìn)行額外的氣體交換。在臍動(dòng)脈和靜脈中實(shí)現(xiàn)了大口徑通道的概念，為L(zhǎng)AD提供了高水平的體外血流。這增加了效用，因?yàn)槟氀軘U(kuò)張閾值的臨床試驗(yàn)是不道德的。這項(xiàng)研究首次系統(tǒng)地量化了導(dǎo)管擴(kuò)張對(duì)臍帶血管的損害。Dabaghi等人采用雙面送氣方式對(duì)微流控血液氧合器進(jìn)行了微細(xì)加工，以改善氣體交換。與單面裝置相比，攝氧量增加到343%。Xu等人使用微流控芯片平臺(tái)模擬肺癌細(xì)胞系和原代癌細(xì)胞的微環(huán)境，并測(cè)試不同的化療藥物。最近的另一項(xiàng)研究在“芯片上的小氣道”模型中模擬哮喘。利用人類哮喘和慢性阻塞性肺疾病的呼吸道模型，測(cè)試了治療方法，并概括了芯片模型對(duì)類似治療的體內(nèi)反應(yīng)。

腎臟OOAC
      腎臟負(fù)責(zé)維持藥物的滲透壓排泄。腎毒性導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的腎濾過喪失，凸顯了藥物篩選系統(tǒng)的必要性。濾過和重吸收發(fā)生在由腎小球、腎被膜和腎小管組成的腎單位。微流體可以模擬支持腎小管細(xì)胞生長(zhǎng)的流體環(huán)境，并為維持細(xì)胞極性提供多孔膜支持。
Jang等人制造了第一個(gè)多層微流控系統(tǒng)(圖3A)，其中使用小鼠腎臟髓質(zhì)集合管細(xì)胞來模擬腎濾過。該裝置提供了一個(gè)仿生環(huán)境，通過促進(jìn)細(xì)胞骨架重組和分子運(yùn)輸來響應(yīng)激素刺激，增強(qiáng)內(nèi)髓集合管的極性。2013年，同樣的微流控設(shè)備被用于培養(yǎng)人的原代腎上皮細(xì)胞。這是對(duì)原代腎臟細(xì)胞的第一次毒性研究。該設(shè)備能夠以傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)或動(dòng)物模型所不可能的方式，直接可視化和定量分析完整腎小管的各種生物學(xué)過程，并可能被證明有助于研究腎臟功能和疾病的基本分子機(jī)制。

A:腎小管芯片。PDMS通道、多孔膜和PDMS儲(chǔ)存庫的夾層組裝B通道可以復(fù)制腎小球的尿腔和毛細(xì)血管腔。多孔柔性PDMS膜可以用來功能化蛋白層粘連蛋白，以模擬腎小球基底膜。可以通過對(duì)柔性PDMS膜的真空拉伸來產(chǎn)生對(duì)細(xì)胞層的循環(huán)機(jī)械壓力

傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，細(xì)胞分化為功能細(xì)胞需要延長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間和外部信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，Musah等人描述了在器官培養(yǎng)設(shè)備中誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的足細(xì)胞形成人腎小球芯片(圖3B)的方法。這些模擬了腎小球毛細(xì)血管壁的結(jié)構(gòu)和功能，這是以前使用的方法不可能做到的。該芯片適用于腎毒性評(píng)估、治療開發(fā)、再生醫(yī)學(xué)以及腎臟開發(fā)和疾病。Sakolish等人在人體近端小管和腎小球中制造了一種可重復(fù)使用的微流控芯片，使腎上皮細(xì)胞能夠在各種條件下生長(zhǎng)。剪切力會(huì)引起腎毒性。Schutgen等人設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的小管培養(yǎng)系統(tǒng)，允許擴(kuò)展擴(kuò)張和人體腎組織分析。基于該系統(tǒng)，開發(fā)了一個(gè)多用途的原代腎上皮細(xì)胞培養(yǎng)模型，使快速和個(gè)性化的分子和細(xì)胞分析、疾病建模和藥物篩選成為可能。陶等人]提出了一種從人誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞中產(chǎn)生人胰島類器官的有效策略。該策略適用于以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的有機(jī)工程和再生醫(yī)學(xué)的一系列應(yīng)用。

心臟器官芯片
       心血管死亡是人類死亡的主要原因。微流體的出現(xiàn)使心臟組織的體外仿生研究成為可能。心肌是心臟的主要組成部分。心肌細(xì)胞(CM)的搏動(dòng)可用于直接評(píng)估藥物效果，并與心臟搏動(dòng)直接相關(guān)。2012年，Grosberg等人用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成具有表面紋理的彈性膜，并將新生大鼠CMS植入膜上形成肌膜。隨著CMS的收縮，肌肉膜向一側(cè)卷曲。通過測(cè)量這種卷曲的程度，可以分析PDMS膜上細(xì)胞收縮能力的大小的差異。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既適用于單一肌膜的檢測(cè)，也適用于高通量的自動(dòng)化多平板檢測(cè)。隨后，在2013年，張等人利用水凝膠在PDMS模型中制備自組裝心肌片。CMS來源于分化后的心肌。微器官組織芯片是從3D打印技術(shù)中生產(chǎn)出來的，它允許心肌和血管系統(tǒng)的整合。該模型利用血管內(nèi)皮細(xì)胞形成血管網(wǎng)絡(luò)，并在血管網(wǎng)絡(luò)縫隙中加入CMS。該器官芯片為心血管相關(guān)藥物提供了一個(gè)篩選平臺(tái)。

張等人介紹了一種使用高速阻抗檢測(cè)來評(píng)估心臟藥物療效的單芯片心臟裝置。該設(shè)備記錄CMS的收縮，以揭示藥物效應(yīng)。該芯片代表了對(duì)藥物心臟療效的臨床前評(píng)估。Marsano等人建立了模擬CMS生理和機(jī)械環(huán)境的心臟器官平臺(tái)(圖4)。直接進(jìn)行可視化和定量分析，這在傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)或動(dòng)物模型中是不允許的。該平臺(tái)代表了該領(lǐng)域的進(jìn)步，并提供了標(biāo)準(zhǔn)的功能3D心臟模型。這使該設(shè)備成為一個(gè)創(chuàng)新和低成本的篩選平臺(tái)，以提高體外模型的預(yù)測(cè)能力。施耐德設(shè)計(jì)了方便高效的芯片，可以在受控環(huán)境中基于人類誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞生成心臟組織。在延長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持心肌組織的活性和功能，并對(duì)詳細(xì)的時(shí)空脈動(dòng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)。該平臺(tái)可用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。此外，Tzatzalos等人報(bào)告稱，HiPSC-CMS可代表健康和疾病特異性CMS評(píng)估擴(kuò)張型心肌病藥物療效的無限潛力。藥物開發(fā)方面的這些進(jìn)展對(duì)心血管組織具有重要影響，因?yàn)樾呐K毒性經(jīng)常出現(xiàn)在藥物試驗(yàn)中，這是臨床試驗(yàn)暫?；蛩幬锿顺鍪袌?chǎng)的主要原因之一。

3D心臟器官芯片，采用兩個(gè)獨(dú)立的PDMS微室。CM位于中央通道中以形成3D構(gòu)造，而介質(zhì)通過側(cè)通道被替換；B：隔室的下端被加壓以使PDMS膜變形并壓縮3D結(jié)構(gòu)。壓縮被轉(zhuǎn)化為施加到3D單元結(jié)構(gòu)上的單軸應(yīng)變；C:PDMS層被對(duì)準(zhǔn)并不可逆地結(jié)合。培養(yǎng)腔中存在上層，驅(qū)動(dòng)腔代表下層；D:3D插圖；E: 真實(shí)芯片；F:芯片橫截面的掃描電鏡圖像

腸道器官芯片
      口服藥物必須橫穿小腸才能進(jìn)入血液，絨毛是吸收的關(guān)鍵，它們的形態(tài)必須在芯片上保持。Imura等人開發(fā)了模擬腸道系統(tǒng)的芯片，由玻璃玻片透膜和含有通道的PDMS片組成。在芯片上培養(yǎng)Caco-2細(xì)胞。Sung等人制造了第一個(gè)模擬人類腸道絨毛的3D水凝膠結(jié)構(gòu)。Kim等人生產(chǎn)的仿生設(shè)備(圖5)，通過剪切力和循環(huán)應(yīng)變重建腸道微環(huán)境。Caco-2細(xì)胞表現(xiàn)出較長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間，并保持了人體腸道中的微生物菌群。腸道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和生理學(xué)為藥物篩選以及腸道微生物群、炎細(xì)胞和蠕動(dòng)相關(guān)的機(jī)械變形在腸道疾病中的作用提供了一個(gè)平臺(tái)。該設(shè)備允許探索腸道疾病的病因，并確定治療目標(biāo)和藥物。這項(xiàng)研究展示了芯片上的腸在針對(duì)腸道細(xì)胞的個(gè)性化藥物研究中的潛力。

A：芯片上腸道設(shè)備的插圖；B: 該設(shè)備由透明的PDMS彈性體組成的圖像；C: 通道的橫斷面圖和顯示多孔膜頂視圖的正方形插圖；D: 芯片上培養(yǎng)的腸道單層示意圖(上圖和相襯圖像(下圖)加(左)或減(右)機(jī)械應(yīng)變(30%)；箭頭指示方向)。E: 壓力定量

腸細(xì)胞單獨(dú)培養(yǎng)或與包括HUVECs在內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng),基因組的保真度很低，所以芯片模仿了腸道功能。Kasendral等人結(jié)合腸道組織工程和OOAC技術(shù)建立人十二指腸的體外生物學(xué)模型。培養(yǎng)在芯片中的腸上皮細(xì)胞來自內(nèi)窺鏡活檢或器官切除。這個(gè)芯片代表了最接近真實(shí)的十二指腸的模型，并復(fù)制了小腸的關(guān)鍵特征。最近的發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)了我們對(duì)腸道微生物組和腸道形態(tài)的了解。

多器官芯片
      一系列的生理途徑需要持續(xù)的介質(zhì)循環(huán)和組織間的相互作用，單一器官芯片不能充分反映器官功能的復(fù)雜性、功能變化和完整性。“多器官芯片”，也被稱為“人體芯片”同時(shí)構(gòu)建了多個(gè)器官，引起了明顯的研究關(guān)注。多器官芯片上同時(shí)培養(yǎng)不同器官和組織的細(xì)胞，這些細(xì)胞通過通道(仿生血管)連接起來，實(shí)現(xiàn)多器官整合，允許檢查相互作用以建立系統(tǒng)。這些方法可分為靜態(tài)、半靜態(tài)和隨機(jī)方法。靜止的多個(gè)器官被集成到單個(gè)連接的設(shè)備中。在半靜態(tài)系統(tǒng)中，器官通過流體網(wǎng)絡(luò)與基于Transwell?的組織嵌入物連接。在靈活的系統(tǒng)中，各個(gè)特定器官的平臺(tái)使用靈活的微通道相互連接。在這樣的系統(tǒng)中，靈活的機(jī)制是有利的，并且重建了多個(gè)器官。雖然多器官芯片的概念還處于起步階段，但已經(jīng)取得了重大突破，包括兩個(gè)器官、三個(gè)器官、四個(gè)器官和十器官芯片的設(shè)計(jì)。

2010年，Van等人是第一個(gè)在微流控裝置中將肝臟和腸道結(jié)合在一起的人。腸和肝臟切片在芯片上發(fā)揮作用，并展示了其對(duì)器官相互作用的適用性，包括調(diào)節(jié)膽汁酸合成。這一系統(tǒng)使體外研究成為可能，并為器官之間的相互作用提供了觀察點(diǎn)。自那以后，更多的器官被集中在單個(gè)芯片上。器官芯片需要保持穩(wěn)定的液體連接，避免細(xì)菌污染，并在整個(gè)培養(yǎng)過程中監(jiān)控細(xì)胞活性。隨著芯片上器官數(shù)量的增加，系統(tǒng)的復(fù)雜性也會(huì)增強(qiáng)，不可避免地會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。簡(jiǎn)化現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用至關(guān)重要。Lee等人制造的無泵、用戶友好的單芯片多器官，易于組裝和操作。Satoh等人報(bào)道了一種在微板大小的氣動(dòng)壓力驅(qū)動(dòng)介質(zhì)循環(huán)平臺(tái)上形成的多吞吐量多器官芯片系統(tǒng)(圖6)。該系統(tǒng)具有多個(gè)多器官培養(yǎng)單元同時(shí)運(yùn)行、微流控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)靈活、移液管友好的液體處理界面、適用于微孔板中廣泛使用的實(shí)驗(yàn)方案和分析方法等優(yōu)點(diǎn)。這一多器官培養(yǎng)平臺(tái)將成為藥物發(fā)現(xiàn)的有利研究工具。

A: 多通道多器官平板系統(tǒng)；B: 包含4?×?4培養(yǎng)腔的培養(yǎng)裝置的投影，通過X-X‘截面的培養(yǎng)腔顯示；C: 用于8通道2器官系統(tǒng)和4通道4器官系統(tǒng)的微流控平板中的微流體網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。八通道雙器官系統(tǒng)和四通量四器官系統(tǒng)微流控板內(nèi)微流控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。閉合圓圈表示通向微流控板頂表面的孔的位置。暗區(qū)和淺陰區(qū)分別為深部和淺部微流控通道。綠線環(huán)繞的區(qū)域代表流通文化單位。藍(lán)色線條表示文化室的墻壁。出口周圍的紅色細(xì)線表示拉普拉斯閥門。D: 在雙器官系統(tǒng)中利用氣動(dòng)壓力進(jìn)行三維介質(zhì)循環(huán)。紅色箭頭表示媒體流的方向

OOAC的持續(xù)發(fā)展依賴于設(shè)計(jì)、建模、可制造性和可用性方面的進(jìn)步。Lantada發(fā)明了激光技術(shù)的創(chuàng)新組合。對(duì)人類間充質(zhì)干細(xì)胞的評(píng)估證實(shí)了該技術(shù)的有效性，生成的芯片是透明的，便于成像程序。這種技術(shù)對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的芯片有益，并對(duì)能源、交通和航空航天行業(yè)具有實(shí)用價(jià)值。

干細(xì)胞工程
      生物組織的來源是OOAC設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)之一。干細(xì)胞無需組織活檢即可從人體中提取，根據(jù)定義，干細(xì)胞是任何能夠自我更新并具有分化為一種或多種特化細(xì)胞類型的細(xì)胞。最常見的類型包括胚胎干細(xì)胞(ESCs)、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(IPSCs)和成體干細(xì)胞(ASCs)。這些細(xì)胞可以作為OOAC的生物組織來源。最常見的人類ASCs是間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)，它是從成人組織中提取的多能干細(xì)胞[126]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)通常來自骨髓或脂肪組織，由于它們易于從組織活檢中提取，因此成為一個(gè)有吸引力的選擇。由于其有限的分化能力，缺乏一致的衍生方案和明確的生物學(xué)反應(yīng)，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在OOAC模型中的應(yīng)用不如其多潛能的同類細(xì)胞。人類胚胎干細(xì)胞來源于胚泡或胚胎的內(nèi)部細(xì)胞。

根據(jù)來源，它們的功能并不是單一的，并從三個(gè)胚層中的任何一個(gè)分化為任何類型的成體細(xì)胞。然而，人類胚胎干細(xì)胞必須來自人類胚胎，這在倫理上存在爭(zhēng)議，進(jìn)而導(dǎo)致法規(guī)和限制。由于圍繞胚胎干細(xì)胞的倫理爭(zhēng)論和生產(chǎn)大量遺傳多樣性細(xì)胞系的技術(shù)困難，將人類胚胎干細(xì)胞應(yīng)用于臨床試驗(yàn)比將其用作治療藥物評(píng)估的疾病模型中的精確藥物替代品更困難。像胚胎干細(xì)胞一樣，間充質(zhì)干細(xì)胞是多能的，可以從所有三個(gè)胚層分化出來。由于IPSCs來自成人組織，而不是胚胎組織，因此它們避免了與ESCs相關(guān)的倫理問題。在相同遺傳背景的細(xì)胞中，ESCs和IPSCs在基因表達(dá)水平、表面標(biāo)記表達(dá)和形態(tài)方面沒有顯著差異。除了繞過倫理爭(zhēng)議，IPSCs相對(duì)于ESCs的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它們可以從已知疾病表型的捐贈(zèng)者那里獲得，這可以用于特定患者的疾病模型和藥物篩選。

器官芯片(OOAC)設(shè)備的組織來源

與細(xì)胞系和原代細(xì)胞一樣，胚胎干細(xì)胞(ESCs)、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(IPSCs)和成體干細(xì)胞(ASCs)可以分化并整合到微流控芯片中。該圖顯示了OOC設(shè)備中ESCs、ASCs、IPSCs、原始和組織活檢以及細(xì)胞系的優(yōu)勢(shì)(白色)和局限性(黑色)。細(xì)胞系和原代細(xì)胞在卵母細(xì)胞中更為常見，因?yàn)樗鼈兺ǔ１憩F(xiàn)出良好的生物反應(yīng)特性。然而，細(xì)胞系不能代表正常的生理?xiàng)l件，原代細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間有限，質(zhì)量不穩(wěn)定。相比之下，干細(xì)胞很容易獲得，是一個(gè)無限的細(xì)胞來源。即使目前在分化和成熟方案方面存在限制，干細(xì)胞仍然是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，可以被整合到OOC設(shè)備中。

因?yàn)楦杉?xì)胞比許多原始細(xì)胞類型和組織活檢更容易獲得，而且它們比其他細(xì)胞系更具生理學(xué)代表性，很可能成為未來OOAC的主要組織來源(圖8)。繼續(xù)研究干細(xì)胞在芯片上分化為功能器官模型的方法將有助于干細(xì)胞方法的改進(jìn)和OOAC技術(shù)的進(jìn)步。

干細(xì)胞研究的未來趨勢(shì)，A: 系列組織，B：芯片上器官技術(shù)可以模擬體內(nèi)的真實(shí)狀態(tài)

結(jié)論和未來展望

我們回顧了OOAC技術(shù)的最新進(jìn)展。微流控芯片為OOAC的發(fā)展提供了良好的支持。它的發(fā)展引起了世界范圍內(nèi)的研究關(guān)注，并取得了巨大的科學(xué)進(jìn)步。已經(jīng)設(shè)計(jì)和制備了大量的OOAC。人們已經(jīng)研究了一系列人體器官。OOAC的最終目標(biāo)是將眾多器官集成到一塊芯片中，并構(gòu)建更復(fù)雜的多器官芯片模型，最終實(shí)現(xiàn)人體芯片。
盡管OOAC技術(shù)發(fā)展迅速，但人體芯片的理論仍然遙不可及。PDMS是最廣泛使用的材料，但也有缺點(diǎn)，因?yàn)樯傻哪け润w內(nèi)的形態(tài)更厚。疏水小分子的吸光度降低會(huì)影響溶劑的效率和毒性。因此，有必要確定合適的替代材料。目前，制造和實(shí)驗(yàn)實(shí)施的成本相對(duì)較高，不利于器官芯片的廣泛使用，因此零部件必須成本低、易于處置。更昂貴的組件應(yīng)該可以重復(fù)使用。在集成系統(tǒng)組件方面，必須減小介質(zhì)體積和連接器大小以供一般使用。在芯片上采集樣本可能會(huì)干擾其操作，導(dǎo)致各種代謝物的濃度發(fā)生變化。因此，需要更合適的傳感器。還需要適用于所有器官的通用細(xì)胞培養(yǎng)液。最關(guān)鍵的是，隨著芯片上器官數(shù)量的增加，功能變得更加復(fù)雜，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)帶有虛假的和不可翻譯的風(fēng)險(xiǎn)。這是目前無法解決的問題。在長(zhǎng)期重復(fù)給藥或芯片研究的情況下，體外確定的生物標(biāo)記物可能不能完全反映體內(nèi)的等效性。

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