摘要：類(lèi)器官作為能模擬人體組織的3D體外模型，解決了傳統(tǒng)2D培養(yǎng)的諸多局限，但營(yíng)養(yǎng)供給、力學(xué)模擬的短板始終存在。微流控技術(shù)的精準(zhǔn)流體控制能力，與類(lèi)器官結(jié)合誕生了類(lèi)器官-on-chip模型。本文梳理了這類(lèi)模型的構(gòu)建方法、核心技術(shù)、成熟模型及發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)其能實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)持續(xù)供給、力學(xué)信號(hào)模擬、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能，在疾病建模、藥物研發(fā)中展現(xiàn)出獨(dú)特價(jià)值，只是目前仍面臨血管化、標(biāo)準(zhǔn)化等難題，未來(lái)的個(gè)性化與多器官整合將是重要探索方向。

一、為什么要做芯片上的類(lèi)器官？

做生物研究的都知道，體外模型選不對(duì)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)全白費(fèi)。傳統(tǒng)2D細(xì)胞培養(yǎng)太簡(jiǎn)單，根本還原不了人體組織的3D細(xì)胞互作，研究復(fù)雜的發(fā)育和疾病完全不夠用。動(dòng)物模型雖貼近體內(nèi)，但倫理問(wèn)題繞不開(kāi)，物種間的差異也讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難用到人身上。

類(lèi)器官是個(gè)好東西，由干細(xì)胞或原代細(xì)胞自組裝成3D結(jié)構(gòu)，能模擬器官的結(jié)構(gòu)和功能，可它也有硬傷。靜態(tài)培養(yǎng)下?tīng)I(yíng)養(yǎng)進(jìn)不去、代謝廢物排不出，核心細(xì)胞容易壞死，還沒(méi)法模擬體內(nèi)的機(jī)械力，傳代和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也容易破壞結(jié)構(gòu)。

微流控芯片剛好能補(bǔ)這些短板。芯片上的微通道能精準(zhǔn)控制流體，模擬體內(nèi)的力學(xué)環(huán)境，還能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)培養(yǎng)。把類(lèi)器官放進(jìn)微流控芯片，就有了類(lèi)器官-on-chip，既能保留類(lèi)器官的組織模擬性，又能讓培養(yǎng)環(huán)境更貼近人體，這一步升級(jí)，其實(shí)是體外模型向臨床應(yīng)用靠近的關(guān)鍵。

圖1類(lèi)器官與微流控芯片結(jié)合示意圖

二、怎么造芯片類(lèi)器官？三種接種方法各有門(mén)道

構(gòu)建類(lèi)器官-on-chip，第一步就是細(xì)胞接種，目前主流的有三種方法，沒(méi)有絕對(duì)的好壞，全看實(shí)驗(yàn)需求和細(xì)胞類(lèi)型。

類(lèi)器官接種法是先在芯片外把干細(xì)胞或原代細(xì)胞培養(yǎng)成類(lèi)器官，再轉(zhuǎn)移到芯片里成熟和分析。體外培養(yǎng)能用離心、懸滴法做強(qiáng)制聚集，也能用基質(zhì)膠做自聚集，芯片外的培養(yǎng)板能批量造類(lèi)器官，像肝類(lèi)器官研究就常用這種方法（圖2a），只是前期的分化過(guò)程會(huì)耗點(diǎn)時(shí)間。

細(xì)胞懸液接種法是把細(xì)胞懸液直接滴進(jìn)芯片的水凝膠包被通道，再施加拉伸、剪切力等機(jī)械刺激。機(jī)械力能促進(jìn)細(xì)胞聚集和分化，讓類(lèi)器官結(jié)構(gòu)更規(guī)整，胰腺癌細(xì)胞、腦類(lèi)器官的構(gòu)建都用了這種方法（圖2b），還能減少對(duì)基質(zhì)膠的依賴，適合臨床少量樣本的研究。

細(xì)胞懸液液滴接種法是把細(xì)胞包在微液滴里流進(jìn)芯片，液滴就是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的微環(huán)境，能精準(zhǔn)控制細(xì)胞密度。常用的基質(zhì)膠、海藻酸鈉、GelMA都能做液滴包被，適合高通量的藥物篩選，只是液滴形成時(shí)的剪切力可能損傷細(xì)胞，材料的生物相容性也得好好挑。

圖2類(lèi)器官-on-chip的構(gòu)建方法：a為用于藥物測(cè)試的肝類(lèi)器官直接接種法；b為利用微流控芯片不同形狀孔道生成類(lèi)器官的單細(xì)胞懸液接種法

三、微流控技術(shù)加持，芯片類(lèi)器官更貼近人體

微流控是類(lèi)器官-on-chip的核心技術(shù)，不同的微流控手段，能給類(lèi)器官營(yíng)造不同的體內(nèi)微環(huán)境，讓模型的生理相關(guān)性再上一個(gè)臺(tái)階。

液滴微流控能把單個(gè)細(xì)胞或類(lèi)器官包在液滴里，每個(gè)液滴都是獨(dú)立的培養(yǎng)體系，能同時(shí)測(cè)試多種藥物濃度，高通量篩選的效率特別高。還能讓細(xì)胞在液滴里均勻聚集，造出大小一致的類(lèi)器官，肺類(lèi)器官的研究就用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了快速建模（圖3a）。

灌流微流控解決了靜態(tài)培養(yǎng)的營(yíng)養(yǎng)難題，微通道的持續(xù)流體灌流，像人體的血管一樣給類(lèi)器官供營(yíng)養(yǎng)、排廢物，還能誘導(dǎo)血管化。腦類(lèi)器官的灌流培養(yǎng)中，就發(fā)現(xiàn)了VEGF-HIF1α-AKT通路調(diào)控血管生成的規(guī)律（圖3b），只是目前血管化還沒(méi)法長(zhǎng)期維持。

灌流還能和懸滴微流控結(jié)合，傳統(tǒng)懸滴法難換液、難長(zhǎng)期培養(yǎng)，整合灌流后，液滴穩(wěn)定性提升，營(yíng)養(yǎng)交換更高效，間充質(zhì)干細(xì)胞的球形培養(yǎng)用這種方法，能更好保留細(xì)胞表型（圖3c），也能實(shí)現(xiàn)多組織的共培養(yǎng)和相互作用研究。

圖3類(lèi)器官-on-chip的微流控技術(shù)：a為構(gòu)建肺類(lèi)器官的液滴微流控技術(shù)；b為促進(jìn)血管化類(lèi)器官形成的腦類(lèi)器官灌流微流控芯片；c為比傳統(tǒng)方法更適合長(zhǎng)期培養(yǎng)的懸滴微流控技術(shù)

四、芯片類(lèi)器官的硬核功能，傳統(tǒng)模型比不了

和2D培養(yǎng)、單純類(lèi)器官相比，類(lèi)器官-on-chip的功能實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，這些功能其實(shí)都是對(duì)人體體內(nèi)環(huán)境的精準(zhǔn)模擬，也是它能替代傳統(tǒng)模型的關(guān)鍵。

持續(xù)營(yíng)養(yǎng)供給是最基礎(chǔ)的功能，芯片的灌流系統(tǒng)讓營(yíng)養(yǎng)均勻到達(dá)類(lèi)器官各個(gè)部位，不會(huì)出現(xiàn)核心缺氧壞死的情況，動(dòng)脈粥樣硬化的模型研究中，灌流還能通過(guò)流體剪切力助力模型構(gòu)建，這是靜態(tài)培養(yǎng)完全做不到的。

能精準(zhǔn)模擬力學(xué)信號(hào)是一大亮點(diǎn)，體內(nèi)的細(xì)胞時(shí)刻受拉伸、壓力、剪切力的影響，芯片能通過(guò)泵和微通道調(diào)控這些力學(xué)信號(hào)，還能模擬肺的呼吸、腸道的蠕動(dòng)，能研究力學(xué)信號(hào)如何調(diào)控細(xì)胞行為和疾病發(fā)展，這對(duì)機(jī)制研究特別重要。

芯片上還能整合傳感器，氧傳感器、葡萄糖傳感器、電極陣列都能嵌進(jìn)去，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)類(lèi)器官的培養(yǎng)狀態(tài)和生化指標(biāo)，不用再破壞類(lèi)器官取樣，懸滴芯片中整合的多分析物生物傳感器，還能同時(shí)監(jiān)測(cè)乳酸和葡萄糖，數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)。

誘導(dǎo)血管化讓類(lèi)器官更接近真實(shí)器官，持續(xù)的流體灌流能上調(diào)血管相關(guān)標(biāo)志物，讓內(nèi)皮細(xì)胞向類(lèi)器官遷移形成血管網(wǎng)絡(luò)，腎類(lèi)器官的芯片培養(yǎng)中，血管化明顯提升，類(lèi)器官的生長(zhǎng)和存活時(shí)間也大幅增加，只是血管化的標(biāo)準(zhǔn)化方法還沒(méi)統(tǒng)一。

高通量分析適配了藥物研發(fā)的需求，芯片上能設(shè)計(jì)多個(gè)獨(dú)立孔道，一次實(shí)驗(yàn)就能完成多個(gè)變量的檢測(cè)，不用反復(fù)鋪板，節(jié)省時(shí)間和樣本，血管內(nèi)皮細(xì)胞炎癥研究的芯片就設(shè)計(jì)了20個(gè)實(shí)驗(yàn)孔，能同時(shí)開(kāi)展不同的拉伸實(shí)驗(yàn)。

不同研究模型的功能差異，其實(shí)能直觀看到類(lèi)器官-on-chip的優(yōu)勢(shì)，血管生成、微環(huán)境控制、力學(xué)模擬這些能力，是其他模型難以同時(shí)具備的（表1）。

表1不同研究模型的功能對(duì)比

不同研究模型

動(dòng)物模型

傳統(tǒng)2D培養(yǎng)

類(lèi)器官

微流控2D培養(yǎng)

類(lèi)器官-on-chip

血管結(jié)構(gòu)生成

微環(huán)境精準(zhǔn)控制

部分

營(yíng)養(yǎng)持續(xù)供給

無(wú)倫理考量

動(dòng)態(tài)復(fù)雜細(xì)胞互作

力學(xué)信號(hào)模擬

傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)整合

高通量篩選

模型復(fù)雜性

五、已經(jīng)成熟的芯片類(lèi)器官模型，覆蓋多個(gè)關(guān)鍵器官

目前類(lèi)器官-on-chip已經(jīng)發(fā)展出多個(gè)成熟的器官模型，每個(gè)模型都能針對(duì)性解決該器官研究的痛點(diǎn)，在疾病建模和藥物測(cè)試中已經(jīng)有了實(shí)際應(yīng)用。

腦類(lèi)器官-on-chip能模擬神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)疾病，把腦類(lèi)器官放進(jìn)灌流芯片，能研究產(chǎn)前尼古丁暴露對(duì)胎兒腦發(fā)育的影響，還能緩解腦類(lèi)器官的糖酵解應(yīng)激，自動(dòng)化的芯片系統(tǒng)還能自定義灌流速度，讓培養(yǎng)更貼合實(shí)驗(yàn)需求（圖4a）。

腎類(lèi)器官-on-chip是腎病研究的利器，多囊腎病的模型中，芯片的流體環(huán)境能誘導(dǎo)囊腫形成，還能驗(yàn)證降糖藥物對(duì)囊腫的抑制作用；近端小管的芯片模型還能提升藥物轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)，讓藥物攝取的研究更貼近人體（圖4b）。

腸道類(lèi)器官-on-chip能模擬腸道的蠕動(dòng)和屏障功能，芯片的壓力通道能模擬腸道蠕動(dòng)，提升腫瘤類(lèi)器官的干細(xì)胞標(biāo)志物表達(dá)；患者來(lái)源的腸道類(lèi)器官芯片，還能還原十二指腸的絨毛結(jié)構(gòu)，為腸病的個(gè)性化研究提供了可能（圖4c）。

肺類(lèi)器官-on-chip能模擬肺的呼吸和損傷，3D打印的芯片能實(shí)現(xiàn)肺類(lèi)器官的血管化，還能用于肺癌的藥物敏感性測(cè)試，只是目前多數(shù)模型還沒(méi)法同時(shí)模擬呼吸拉伸和灌流，這部分還有待改進(jìn)（圖4d）。

肝、眼等器官也有了對(duì)應(yīng)的芯片模型，肝類(lèi)器官-on-chip能精準(zhǔn)檢測(cè)藥物誘導(dǎo)的肝損傷，適配藥物毒性篩選；視網(wǎng)膜類(lèi)器官-on-chip能通過(guò)氧梯度維持視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的存活，為眼底病研究提供了新模型。

圖4類(lèi)器官-on-chip的成熟模型：a為構(gòu)建大腦皮層類(lèi)器官的自動(dòng)化微流控裝置；b為構(gòu)建血管化腎類(lèi)器官的芯片；c為構(gòu)建患者來(lái)源腸道類(lèi)器官的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；d為構(gòu)建肺類(lèi)器官的微流控芯片及CAD渲染圖

除了單器官模型，多器官類(lèi)器官-on-chip也開(kāi)始發(fā)展，把胰腺和肝類(lèi)器官放在同一芯片，能研究糖代謝的器官互作；肺、肝、心的三器官芯片，能檢測(cè)藥物對(duì)多個(gè)器官的聯(lián)合作用，比如博來(lái)霉素會(huì)讓三器官模型中的心臟停止跳動(dòng)，而單心臟模型則無(wú)此反應(yīng)（圖5），這讓藥物的全身毒性評(píng)估更準(zhǔn)確。

圖5多器官類(lèi)器官芯片：a為模擬2型糖尿病的肝-胰腺雙器官芯片；b為用于藥物測(cè)試的肺-肝-心三器官芯片

六、當(dāng)下的研究趨勢(shì)，解決痛點(diǎn)才是關(guān)鍵

類(lèi)器官-on-chip的研究還在快速發(fā)展，目前的探索主要集中在兩個(gè)方向，一是優(yōu)化培養(yǎng)體系，二是提升數(shù)據(jù)分析能力，其實(shí)都是在解決當(dāng)下研究的實(shí)際痛點(diǎn)。

培養(yǎng)體系的核心是替代基質(zhì)膠，傳統(tǒng)的Matrigel是動(dòng)物源材料，批次差異大、有免疫原性，現(xiàn)在的研究更傾向于組織特異性脫細(xì)胞基質(zhì)、合成水凝膠，還有的直接用微流控的力學(xué)信號(hào)替代基質(zhì)膠，比如聚乙二醇包被的芯片，靠流體灌流就能讓卵巢癌類(lèi)器官更好生長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)分析是另一個(gè)重點(diǎn)，芯片類(lèi)器官的高通量實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生大量圖像和數(shù)據(jù)，手動(dòng)分析效率低還不準(zhǔn)確?，F(xiàn)在常用ImageJ、OrganoSeg做形態(tài)分析，Ilastik、VONet等AI工具也開(kāi)始普及，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的分割和3D重建，只是部分AI工具對(duì)計(jì)算資源要求高，小實(shí)驗(yàn)室很難普及。

七、未來(lái)在哪？還有這些坎要跨

類(lèi)器官-on-chip的潛力很大，但要從實(shí)驗(yàn)室走到臨床，還有不少坎要跨，這也是未來(lái)研究的核心方向。

血管化的標(biāo)準(zhǔn)化是首要問(wèn)題，目前的血管化只能短期維持，不同器官的血管化方法也不統(tǒng)一，后續(xù)需要找到通用的誘導(dǎo)方法，讓類(lèi)器官形成能長(zhǎng)期功能的血管網(wǎng)絡(luò)，這樣才能支撐更大、更成熟的類(lèi)器官培養(yǎng)。

多器官芯片的優(yōu)化也很關(guān)鍵，現(xiàn)在的多器官芯片還只是簡(jiǎn)單的器官拼接，沒(méi)法模擬體內(nèi)的器官間信號(hào)傳導(dǎo)，還需要開(kāi)發(fā)通用的培養(yǎng)基，適配不同器官的生長(zhǎng)需求，讓多器官的互作更貼近人體。

個(gè)性化與商業(yè)化是最終的應(yīng)用方向，患者來(lái)源的類(lèi)器官芯片能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的藥物測(cè)試，只是目前類(lèi)器官的培養(yǎng)周期長(zhǎng)、成本高，需要優(yōu)化培養(yǎng)protocol，縮短成熟時(shí)間，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的高通量應(yīng)用。

還有藥代藥動(dòng)的模擬，體外模型和體內(nèi)的藥物反應(yīng)差異，主要來(lái)自于藥物的分布和代謝，后續(xù)需要在芯片中整合更多的生理系統(tǒng)，讓藥物的吸收、分布、代謝、排泄能被精準(zhǔn)模擬，這樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能更好地轉(zhuǎn)化到臨床。

其實(shí)說(shuō)到底，類(lèi)器官-on-chip的研究，本質(zhì)上就是不斷讓體外模型貼近人體的過(guò)程。微流控和類(lèi)器官的結(jié)合，已經(jīng)邁出了關(guān)鍵一步，后續(xù)只要解決了標(biāo)準(zhǔn)化、血管化、多器官整合這些問(wèn)題，相信它會(huì)在個(gè)性化醫(yī)療、藥物研發(fā)中發(fā)揮更大的作用，讓生物研究離臨床應(yīng)用更近一步。

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