新技术 I 类器官和器官芯片

2024-04-03

疫苗

深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769"类器官"通常指的是人工合成的或模拟的生物组织结构，它们被设计来模仿自然生物器官的功能和特性。这种人工合成的结构可能包含多种类型的细胞、生物材料和支架，以模拟自然生物器官的结构和功能。这样的类器官旨在用于医学研究、药物测试和替代治疗方法的开发等领域。"类器官芯片"则是将微芯片技术与类器官结构相结合的产物。这种芯片上通常包含有微小的通道、细胞培养区域和微型传感器，可以模拟特定器官的结构和功能。类器官芯片的设计使得研究人员能够更准确地模拟生物体内的生理过程，例如细胞生长、药物代谢和疾病发展。这对于药物研发、疾病研究和个性化医学等方面都具有潜在的应用前景。前言器官芯片（Organs-On-Chips，OOC）有潜力为生理相关的体外药物测试提供更好的试验预测，每年可以节省数亿美元的开发成本，缩短药物开发时间，并能避免由于2D细胞培养和动物实验等替代模型缺乏预测性而导致的失败。受到这些发展前景的激励，2016年~2018年期间器官芯片市场增长了4倍（从750万美元增至2960万美元），而2018年~2024年期间的复合年增长率（CAGR）预计将高达35.3%。类器官芯片的应用类器官芯片是一种微型化的生物芯片技术，可以模拟人体器官的结构和功能。这种技术在医学研究、药物开发和疾病治疗等领域具有广泛的应用。以下是类器官芯片的一些主要应用：【药物筛选和开发】：类器官芯片提供了一个更真实、可控的生理环境，使科学家能够更准确地评估药物的效果和安全性。通过在芯片上培养人体组织，研究人员可以模拟药物在人体内的代谢和相互作用，从而加速新药的研发过程。这有助于减少动物实验的需求，同时提高对潜在药物的了解。【疾病建模】：类器官芯片可以用于建立疾病模型，模拟各种疾病的发展和进展。这有助于研究人员更好地理解疾病的机制、识别潜在的治疗靶点，并进行新疾病治疗方法的探索。【个性化医学研究】：由于类器官芯片可以使用患者自身的细胞进行培养，因此它为个性化医学研究提供了有力的工具。通过使用患者的细胞，研究人员可以更好地了解个体对药物的反应，并为制定更为个性化的治疗方案提供信息。【毒性测试】：在药物开发的早期阶段，类器官芯片可用于评估候选药物的毒性。这有助于提前识别潜在的安全问题，减少了对动物实验的需求，并提高了对潜在有害效应的识别能力。【疫苗研究】：类器官芯片可用于评估疫苗的效果。通过模拟人体免疫系统的反应，研究人员可以更有效地测试疫苗的免疫原性和保护效果。【疾病诊断和监测】：一些类器官芯片技术还被用于疾病的早期诊断和监测。通过检测生物标志物和特定细胞的变化，这些芯片可以提供对疾病状态的实时监测。器官芯片在药物开发中的价值【早期发现】：在药物发现的早期阶段，器官芯片可用于开发具有更接近人类基因表达和生理结构和功能的疾病模型，以确定和验证药物反应。器官芯片已被用于生成多个器官和疾病的人类相关模型，包括骨癌转移、细菌性阴道炎、环境性肠功能紊乱和COVID-19新冠肺炎等。这些模型使研究人员能够更好地了解潜在的疾病机制并开发更有竞争力的治疗方法。【先导物优化】：在先导物优化阶段，器官芯片提供与人类相关的反应数据，对显示出最有效和最小毒性的候选先导物进行排序和优化。通过将器官芯片研究纳入药物开发的这一阶段，在人体器官芯片中产生毒性信号的化合物可以在早期体内研究中被取消优先级，尽早淘汰，从而减少动物试验，确保推动更安全的候选药物进入到后续开发流程。【临床前评估】：在临床前安全评估阶段，器官芯片可以作为筛选工具来预测毒性的各种机制。在这个阶段，它们还可以用来评估在临床前动物研究中可能观察到的毒性与人类的相关性。器官芯片在这一阶段特别有利于评估越来越针对人类的新型药物，如生物制剂和免疫疗法。【临床试验】：器官芯片甚至可以对药物开发的临床试验阶段受益。对于在临床上产生意料之外的毒性信号的候选药物，器官芯片可以用来进行后续回溯性研究，以评估毒性机制，研究人员可以利用这些信息来指导备用候选药物的优先次序。类器官的发展趋势类器官芯片的兴起：类器官芯片技术在过去几年中取得了显著进展。这种微型芯片可以在微尺度上模拟人体器官的结构和功能，提供更真实、可控的实验环境。这对于药物筛选、疾病研究以及个性化医学的发展具有重要作用。多细胞类型的模拟：为了更好地模拟真实的生理环境，研究人员致力于开发可以容纳多种细胞类型的类器官。这种细胞多样性有助于更准确地模拟生物体内的复杂相互作用，促使类器官更接近真实器官的功能。器官再生和修复：一些研究集中于使用干细胞和生物材料等技术，试图培养出完整的类器官，以实现器官的再生和修复。这可能对解决器官移植短缺问题和改善患者生存质量方面具有重要意义。仿生学的应用：仿生学是一种通过模仿生物系统的原理和结构来设计和开发新技术的方法。在类器官的发展中，仿生学的原理得以广泛应用，以提高其仿真度和实用性。医疗器械和设备的进步：随着类器官技术的不断发展，相应的医疗器械和设备也在不断改进。这包括用于细胞培养、生物材料处理和数据采集的先进工具。总体而言，类器官的发展仍处于不断演进和改进的阶段，科学家们正在努力克服技术和生物学上的挑战，以更好地模拟人体器官的结构和功能。这一领域的进步有望在未来为医学研究、药物开发和临床治疗等方面带来重大的影响。各国的管理策略各国对于类器官的法规和管理策略可能存在差异，因此以下提供的信息仅供参考，具体情况可能随时间和法规变化而有所调整。以下是一些国家在类器官领域的法规和管理策略：【美国】：FDA（美国食品药品监督管理局）对于类器官的法规较为严格。在药物和生物医学领域，FDA监管实验室制备的器官芯片，确保其符合药物评估和审批的标准。NIH（国家卫生研究院）可能提供对生物医学研究和类器官芯片技术的资金支持，并可能有一些指导性文件。【欧洲】：欧洲药品管理局（EMA）负责欧洲范围内的类器官芯片监管。EMA制定了相关的法规和指导文件，确保类器官芯片的研发和应用符合欧洲联盟的标准。欧洲各国可能会在EMA的基础上制定各自的国家法规。【中国】：中国国家药品监督管理局（NMPA）是中国药品监管的主要机构，负责类器官芯片的监管。中国还在不断完善相关的法规和标准，以适应快速发展的生物医学领域。【日本】：日本的厚生劳动省（MHLW）负责监管医药和医疗器械，可能涉及对类器官芯片的法规制定和管理。日本的科研机构和企业在类器官芯片的研究和应用方面也在积极探索。【其他国家】：不同国家可能有各自的法规体系和管理机构，对于类器官芯片的法规和管理可能存在差异。国际性组织和合作机构，如世界卫生组织（WHO）和国际药品监管合作机构（PIC/S），也可能在促进全球范围内的合作和标准制定方面发挥作用。需要注意的是，类器官芯片技术属于较新兴的领域，相关法规和管理策略还在不断发展和调整中。在进行相关研究和应用时，研究人员和机构应密切关注各国和国际层面的法规动态，并遵循相应的法规和伦理标准。发展历史器官芯片最早是由Michael L. Shuler等人提出利用芯片来构建和模拟人体组织微环境。Michael L. Shuler博士是康奈尔大学生物医学工程系的创始主席，在器官芯片研究方面有超过25年的经验。Michael L. Shuler看来，器官芯片是物理微尺度特定人体模型。通常为实际大小的10-6-10-4倍，大多数情况下为多种细胞组成，芯片材料提供必要支撑或细胞自生长环境，可长时间培养，内部流体流速较低，以便营养物质和生长因子有效利用。芯片系统在人体生理反应方面比动物或体外细胞培养表现出更高的真实性。这种真实反应可模拟器官之间化学信号和代谢物交换，从而发现药物潜在治疗效果与副反应。2009年，荷兰Hubrecht研究所的Hans Clevers博士成功将人类成体干细胞在体外培养形成具有增殖隐窝和高分化绒毛的小肠结构，证实LGR5+的小肠干细胞能够分化形成类器官，开创了类器官研究的时代。而最经典的是在2010年，哈佛大学的Ingber团队成功构建的肺器官芯片在Science上发表研究文章“Reconstituting organ-level lung functions on a chip”文章中设计了肺芯片模拟了人体肺泡在呼吸过程中的气血交换及收缩过程，芯片上层为气体通道，下层为液体通道，中间由一个多孔膜将其分隔，膜两侧分别培养人肺泡上皮细胞和血管内皮细胞，从而模拟人肺泡-毛细血管屏障。该肺芯片可模拟人体肺泡中的呼吸伸缩生理过程，是肺部器官体外生理功能的最优模型。该芯片可用于肺炎症和肺感染的研究。该肺模型之所以很经典，是因为该模型可以对微环境进行精准操控，如剪切力、张力、压力等。因为这些物理性的因素对于细胞在微环境中是很重要的，很大程度上影响细胞的分化以及组织的功能。正是由于这些因素的存在才促成了器官功能的显现。2021年，有研究团队在《PNAS》上发表了名为“Reversed-engineered human alveolar lung-on-a-chip model”的文章，设计了一个模拟远端肺和肺泡结构的3D肺芯片模型。目的是更好地了解呼吸系统疾病，包括哮喘、慢性阻塞性肺疾病、流感、肺炎以及最近的COVID-19。注：文献链接https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2016146118这是模拟一个人类肺泡的生理相关模型。这种肺泡肺芯片平台由一种三维多孔水凝胶组成，该水凝胶由具有反蛋白石结构的明胶甲基丙烯酸制成，粘结在一个分隔的聚二甲基硅氧烷芯片上。蛋白石水凝胶逆结构具有清晰的、相互连接的毛孔，与人类肺泡囊高度相似。通过在囊中植入人类原发性肺泡上皮细胞，可以很容易形成功能性上皮细胞单层。循环应变被集成到该设备中，以允许肺泡肺的仿生呼吸事件，此外，这使得研究诸如吸烟和严重急性呼吸综合征冠状病毒2假病毒感染引起的病理影响成为可能。2013年，来自日本、德国、美国的科研人员分别构建出肝芽、迷你肾和微型大脑，使得该领域获得了国际的广泛关注，并被Science杂志评为年度十大科学突破，并登上封面。2019年，来自悉尼科技大学的Jesus Shrestha等人在Critical reviews in biotechnology上发表了题为《Lung-on-a-chip: the future of respiratory disease models and pharmacological studies》的综述文章，对肺芯片在呼吸系统中的应用现状及未来发展作了综述。2023年6月，来自加州大学的Rahim Esfandyarpour等人发表了用于模拟呼吸系统疾病的肺器官芯片技术的最近进展相关综述文章，文章以《Recent advances in lung-on-a-chip technology formodeling respiratory disease》为题发表在Bio-Design and Manufacturing杂志上，列举了部分肺芯片最新研究的概要。常见类器官芯片【肝脏芯片】：模拟肝脏结构和功能，包括肝细胞、血管系统和免疫细胞。用于评估药物代谢、肝毒性和药物相互作用。肝脏系统是代谢药物和毒素的主要部位，其由一系列复杂的肝小叶组成，这些小叶赋予了多细胞功能交流。在一段较长的时间内，维持肝细胞的生理机能十分具有挑战性。Kane 等人设计了第一个基于肝脏的系统，该系统由微流控孔组成，其中 3T3-J2 成纤维细胞和大鼠肝细胞共同培养，以模拟气道界面，在芯片中培养的大鼠肝细胞可以持续稳定地合成白蛋白并进行代谢；Lee 等人设计了一种反映内皮细胞和培养的原代肝细胞间质结构的芯片，在间隙外灌注培养基。这种通透的内皮缝隙将肝细胞以索状结构分离，使其与外正弦区分离，同时保持有效的物质交换。Ho 等人利用径向电场梯度进行电泳，将细胞分布到圆形聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片上，这些新技术模拟了肝小叶的结构。图|基于 DLM 的肝脏芯片肿瘤示意图（来源：Qirui Wu, Jinfeng Liu et al., Organonachip: recent breakthroughs and future prospects, BioMedical Engineering OnLine, 2020）【心脏芯片】：模拟心脏的结构和电生理学特性，包括心肌细胞和血管系统。用于研究心脏病理生理学、评估药物的心脏毒性。心血管疾病是造成人类死亡的一大病因，而微流体技术的出现使心脏组织的体外仿生研究成为可能。心肌是心脏的主要组成部分，心肌细胞（cardiomyocytes，CMs）的跳动与心脏泵送直接相关，可直接用于评估药物作用。2012 年，Grosberg 等人使用 PDMS 制作具有表面纹理的弹性膜，并将新生大鼠 CMs 植入膜上形成肌膜。当 CMs 收缩时，肌膜向一侧卷曲。通过测量这种卷曲的程度，可以分析 PDMS 薄膜上细胞收缩能力大小的差异。该实验系统既适用于单肌膜检测，也适用于高通量自动化多板检测。随后，2013 年， Zhang 等人利用水凝胶在 PDMS 模型中生产自组装的心肌薄片，CMs 来源于分化心肌。微型器官组织芯片由 3D 打印技术制成，这种技术可以整合心肌和血管系统。该模型利用血管内皮细胞形成血管网络，并在血管网络间隙中添加 CMs。该器官芯片为心血管相关药物提供了一个筛选平台。图 | 3D 心脏芯片（来源：Qirui Wu, Jinfeng Liu et al., Organ-on-a-chip: recent breakthroughs and future prospects, BioMedical Engineering OnLine, 2020）Zhang 等人介绍了利用高速阻抗检测来评估心脏药物疗效的芯片心脏装置，该装置通过记录 CMs 的收缩情况来揭示药物的作用，从而能够代表药物疗效的临床前评估。Marsano 等通过模拟 CMs 的生理和力学环境构建了一个心脏器官平台，可直接进行可视化和定量分析，这在传统细胞培养或动物模型中是难以实现的。该平台提供了标准的功能性 3D 心脏模型，打造了一个创新的、低成本筛选平台，大大提高了体外模型的预测能力，标志着这一领域又向前迈出了坚实的一步。Schneider 以人类诱导多能干细胞为基础，在受控环境中生成心脏组织，从而设计出更便捷高效的芯片，能够在较长时间内维持心肌组织的活力和功能，该平台可广泛应用于各种生物医学领域。【肺芯片】：模拟肺部的结构和功能，包括肺泡、支气管和免疫细胞。用于研究呼吸系统疾病、评估药物对呼吸系统的影响。肺中的气体交换由肺泡来调节，要在体外复制这一功能则是个不小的挑战，而微流控技术可以通过精确的流体流动和持续的气体交换建立体外肺模型和肺病理。目前的研究主要集中在气道机械压力的调节、血屏障（BBB）、以及剪切力对病理生理过程的影响等方面。图 | 肺芯片（来源：Qirui Wu, Jinfeng Liu et al., Organonachip: recent breakthroughs and future prospects, BioMedical Engineering OnLine, 2020）Huh 等人制作了一个芯片上的肺模型，使用软光刻技术将芯片划分为带有细胞外基质（ECM）的 10 μm PDMS 膜分隔的区域。PDMS 上部区域有肺泡上皮细胞，下部区域含有人肺微血管内皮细胞，从而模拟肺泡-毛细血管屏障。膜的结构在真空下改变，以模拟呼吸时肺泡的扩张/收缩。炎症刺激通过中性粒细胞传入系统，中性粒细胞通过液体通道，这样通过白细胞介素 -2 （IL-2）的引入产生了肺水肿的病理模型，突出了器官芯片模型在改善体内检测的电流方面的实用性。2015 年，Stucki 等人报道了一种模拟肺实质的肺芯片，该系统包括一个肺泡屏障和模拟呼吸的 3D 循环应变，是第一个模拟呼吸的弹性膜膨胀模型。【肾脏芯片】：模拟肾脏单位的结构和功能，包括肾小管和毛细血管。用于研究肾脏病理生理学、评估药物对肾脏的毒性。肾脏负责维持药物的渗透压排泄，滤过和重吸收过程发生在肾小球、肾包膜和肾小管等位置，由于毒性会给肾脏滤过带来不可逆损伤，因此药物筛选系统的存在具有很大必要性。微流体技术可以模拟支持管状细胞生长的流体环境，并为维持细胞极性提供多孔膜支持。图 | 肾芯片（来源：Qirui Wu, Jinfeng Liu et al., Organ-on-a-chip: recent breakthroughs and future prospects, BioMedical Engineering OnLine, 2020）Jang 等人制作了第一个多层微流控系统，该系统使用小鼠肾脏骨髓集合管细胞来模拟肾脏过滤。该装置提供了一个仿生环境，通过促进细胞骨架重组和分子转运来增强内髓集合管的极性，以响应激素刺激。2013 年，同样的微流控装置被用于培养人原代肾上皮细胞，这是对原代肾细胞的首次毒性研究。该装置能够直接可视化和定量分析完整肾小管的各种生物过程，这是传统的细胞培养或动物模型无法实现的，它也可能被证明有助于研究肾功能和疾病的基本分子机制。【肠道芯片】：模拟肠道的结构和功能，包括肠上皮细胞、微生物群和黏膜屏障。用于研究肠道疾病、评估药物在肠道中的吸收和代谢。口服药物必须横穿小肠才能进入血液。绒毛作为吸收的关键，其形态必须在芯片上重现。Imura 等人开发了模拟肠道系统的芯片，包括一个载玻片透膜和含有通道的 PDMS 片，并在芯片上培养了 Caco-2 细胞。Sung 等人了研发了第一个模拟人肠绒毛的 3D 水凝胶结构。图 | 肠芯片（来源：Qirui Wu, Jinfeng Liu et al., Organ-on-a-chip: recent breakthroughs and future prospects, BioMedical Engineering OnLine, 2020）Kim 等人制作了仿生装置，通过剪切力和循环应变重建了肠道的微环境，延长 Caco-2 细胞的生长时间，同时维持肠道内的微生物群，该装置中肠道复杂的结构和生理学为药物筛选，以及研究肠道微生物、炎症细胞和肠蠕动相关机械变形在肠道疾病中的作用提供了平台，有助于进一步探索肠道疾病的病因，并确定治疗靶点和药物，该研究显示了肠道芯片在肠道细胞个性化药物研究中的潜力。Kasendra 等将肠道组织工程与器官芯片技术相结合，建立了人十二指肠体外生物模型。在芯片中培养的肠上皮细胞是从内镜活检或器官切除中获得的，该芯片代表了最接近活体十二指肠的模型，再现了小肠的主要特征，有助于提高研究人员对于肠道微生物和肠道形态的认识水平。【脑芯片】：模拟大脑的神经元网络和血脑屏障。用于研究神经系统疾病、评估药物对脑部的影响。【骨骼肌芯片】：模拟骨骼肌的结构和功能，包括肌肉纤维和神经元。用于研究肌肉疾病、评估药物对骨骼肌的效果。【多器官芯片系统】：结合多个器官芯片，建立体外的多器官模型，以更全面地模拟整个人体生理系统的相互作用。用于更真实地评估药物的全身效应和多器官之间的相互影响。一系列生理途径需要连续的介质循环和组织间的相互作用，而单器官芯片往往不能充分反映出器官功能的复杂性、完整性及具体的功能变化。“多器官芯片”，其实就是在人体芯片上同时培养构建出多个器官，然后通过通道（仿生血管）连接不同的器官、组织细胞，实现多器官的整合，相互作用及检测。这种芯片可以分为静态、半静态和柔性状态。静态多器官系统是被集成到单个连接的设备中；在半静态系统中，器官通过流体网络与基于小室（Transwell）的组织插入物连接。在柔性系统中，单个器官的特定平台通过柔性微通道来相互连接。尽管多器官芯片概念仍处于起步阶段，但目前已经取得了重大突破，相继实现了两个器官、三个器官、四个器官乃至十个器官芯片相结合的设计。图 | 多器官芯片系统（来源：Qirui Wu, Jinfeng Liu et al., Organ-on-a-chip: recent breakthroughs and future prospects, BioMedical Engineering OnLine, 2020）2010 年，Van 等人首次将肝脏和肠道整合至一个微流控装置中，肠和肝切片在芯片上可以发挥作用，并发生相互作用，还可调节胆汁酸的合成。这一系统使体外研究成为可能，并使研究人员能够进一步掌握器官间的相互作用机制。此后，大量器官被集中到单个芯片上，器官芯片需要保持稳定的液体连接，避免细菌污染，并在整个培养过程中监测细胞活力。随着芯片上器官数量的增加，系统的复杂性也随之增强。因此，为避免发生无法预测的结果，简化现有系统变得至关重要。Lee 等人制造了易于组装和操作的无泵的多器官芯片。Satoh 等人报道了一种在微板大小的气动压力驱动介质循环平台上形成的多吞吐量多器官芯片系统。该系统具有多器官培养单元同时操作、微流控网络设计灵活、移液管友好的液体处理界面、适用于微孔板的实验方案和分析方法等优点，这种多器官培养平台将成为药物发现的有利研究工具。【原位癌器官芯片】：一直以来，延缓新型抗癌疗法开发进程的阻碍之一就是缺乏能够识别癌症发展中关键分子、细胞和生物物理特征的临床前模型。这是因为大多数体外肿瘤模型无法准确地再现肿瘤形成的局部组织和器官微环境，此后开发出的更复杂的体外癌症模型，例如在灵活的细胞外基质凝胶中生长的跨孔细胞培养、球状体和类器官等，与传统的 2D 基质相比，它们能更好地模拟正常及癌变组织的发展变化。但是，这些模型仍然缺乏组织-组织界面、器官水平结构、流体流动和细胞在活器官内经历的机械信号，而且从不同的组织微室中收集样本难度也很大。哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所 Alexandra Sontheimer-Phelps 团队在综述《微流控人体器官芯片模拟癌症》（Modelling cancer in microfluidic human organs-on-chips）中，概述了最新的微流控细胞培养技术是如何促进人体器官芯片应用于体外模拟人体相关组织和器官微环境中的癌细胞行为。器官芯片使实验人员以可控的方式改变局部细胞、分子、化学和生物物理参数，并分析它们是如何促进人类癌症的形成和进展以及对治疗的反应。图 | 利用人体芯片模拟癌细胞在全身的转移扩散（来源：Alexandra Sontheimer-Phelps et al., Modelling cancer in microfluidic human organs-on-chips, Nature Reviews, 2019）利用器官芯片可建立转移性病变的原位模型，这使研究人员能够了解多种肿瘤是如何对微环境信号作出反应的。骨是几乎所有癌症转移的常见部位，并最终导致大量的发病率。因此，许多研究小组对了解骨微环境如何影响转移性癌症的生长感兴趣。有团队在研究这一现象时，将人骨髓间充质干细胞植入微流控通道内的胶原凝胶溶液中，并允许其分化为骨细胞，在骨细胞的邻近通道中植入内皮细胞。当乳腺癌细胞通过血管通道流动时，与单独使用胶原凝胶基质相比，乳腺癌细胞向工程化骨环境外渗的速率和迁移的距离要大得多。此外，一旦癌细胞迁移到骨基质中，它们就会形成存活的微转移瘤。该器官芯片癌症模型获得的结果还表明，骨细胞来源的趋化因子 CXCL5 和乳腺癌细胞表达的 cxc 趋化因子受体 2 （CXCR2）之间的相互作用可能介导原发性乳腺癌向骨转移。在其他类似的研究中，观察到乳腺癌细胞自组织成微集落，这与成骨细胞组织厚度的减少以及破骨细胞生成的增加有关，这让人想起体内骨转移中观察到的骨降解的恶性循环。此外，其他研究人员利用血脑屏障芯片发现，星形胶质细胞同样能影响癌细胞转移到脑实质的能力。图 | 原位乳腺癌芯片（来源：Alexandra Sontheimer-Phelps et al., Modelling cancer in microfluidic human organs-on-chips, Nature Reviews, 2019）为了验证肿瘤器官芯片可以作为有效的临床前模型，就需要对多种不同类型的癌症药物进行研究，这些药物在器官芯片中的疗效和毒性与在临床上观察到的具有相似的药代动力学。这一点在最近一项单克隆抗体的研究中得到证实：该单克隆抗体用于治疗导致肺血栓形成的自身免疫性疾病，在第一阶段的临床试验中，这种药物造成了意外死亡，诸如此类的情况就是可以用器官芯片来进行模拟，而不适合用动物模型。癌症器官芯片模型还提供了另外一种可能，通过更忠实地再现患者特异性、器官水平、癌症病理生理学和对治疗的反应，将个性化医疗提升到更高的水平。然而，在将与患者匹配的肿瘤器官芯片真正集成至临床领域之前，仍存在很多技术挑战。目前，将患者活检样本中提取的肿瘤组织异种移植物放到微流控装置中加以培养，已经可以帮助完成患者特异性药物评价。微流控技术这种生理微系统或“组织芯片”，由多学科技术交叉汇聚而成，其主要基于微流控芯片，集合微加工、干细胞、材料和生物组织工程等技术，是在体外模拟构建的 3D 人体器官模型，包含多种活体细胞、功能组织界面、生物流体等，具有接近人体水平的生理功能，同时还能精确地控制多个系统参数，研究人员可以更加直观地研究机体行为，预测或再现药物、毒素、辐射、香烟烟雾、病原体和正常微生物组等给人体带来的影响，在生命科学研究、疾病模拟和新药研发及精准医疗等领域拥有广阔的发展前景。所谓微流控芯片技术（Microfluidics），通常也被称为芯片实验室和微全分析系统，其是一种在尺寸为数十到数百微米的微管道处理或操纵微小流体的系统，涉及学科和技术十分广泛，包括生物医学工程、化学、新材料、流体物理等等，优点众多，例如能耗低、体积小、反应速度快、即用即弃等等。微流控设备可用于制造来自一种组织的细胞排列而成的单通道“组织芯片”，也可用于制造更复杂的器官芯片——结合了两种或者更多组织类型，这些组织可通过多孔 ECM 涂层膜直接进行接合，或由填充一种或多种微通道的 ECM 凝胶加以分离。让培养基流经血管内皮通道、实质通道均可以延长细胞的存活时间至数周到数个月不等。此外，当器官芯片主要通过内皮化血管通道的培养基获得支持时，培养基可被全血替代，培养时间至少可达数小时。其中，一种较为典型的器官芯片就是包含单种或多种的实质细胞/类器官并具有血管微通道，这些微通道由多孔 ECM 涂层膜隔开，膜的一侧是器官特异性上皮细胞，另一侧是基质细胞，例如内皮细胞、成纤维细胞或免疫细胞，从而实现组织界面重建。在这些细胞膜的任一表面培养出的细胞均会沉积其自身的基底膜，该基底膜跨过大量的孔，这些孔足够大，以使细胞能够通过相邻组织的 ECM 延伸过程，并与之形成直接接触。这些设备也可能十分灵活，其包含中空的侧腔室，通过循环吸力，可以有节奏地拉伸和放松器官型组织界面，从而模仿器官相关的机械线索，并复制空气-液体界面、流体流动和相关的生理方面重要的剪切应力。图 | 临床前药物开发中的器官芯片平台（来源：Chao Ma, Yansong Peng et al., Organ-on-a-Chip: A New Paradigm for Drug Development, Trends in Pharmacological Sciences, 2020）主要组成通常，器官芯片主要由以下几个关键部分组成，分别是：（1）微流体。微流体成分是指使用微流体将目标细胞输送到预定位置，并在培养过程中构成培养液输入和废液排放系统，此组件的特点是小型化、集成和自动化。（2）活细胞组织。指在 2D 或 3D 系统中空间对齐特定细胞类型的组件，这种 3D 排列通常是通过添加水凝胶等生物相容性材料来实现的，有助于防止机械损伤。相比于 2D 模型，3D 组织结构能够更加准确地模拟活体情况，但由于技术和成本限制，以及细胞外基质的组装和脉管系统的预置和形成，器官组织中的活细胞仍多采用 2D 培养方式。（3）刺激或给药装备。对于某些组织，需要物理或化学信号来模拟生理微环境，促进微组织成熟。例如，电刺激可以帮助心肌组织成熟。不同的信号刺激可用于药物筛选，检测和编译数据的传感组件可以是嵌入式传感输出组件，也可以是基于透明芯片的图像的分析功能评估系统。备注: 本文不推荐任何产品, 不做任何商业用途. 仅用于个人学习，如文中使用的图片或文字涉及侵权, 请与本文作者联系,立即删除! 如有任何错误，欢迎批评指正！END深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769戳“阅读原文”立即领取限量免费参会名额!