摘要：微流控高通量3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)是當(dāng)下生物工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它能模擬人體組織器官的生理特征，成為藥物研發(fā)的非臨床評(píng)估工具。我梳理了這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邏輯，從生物復(fù)雜性構(gòu)建、目的導(dǎo)向設(shè)計(jì)，到平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)處理的全流程，也看到了它在標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化上的難點(diǎn)，以及未來(lái)在藥物測(cè)試、個(gè)性化醫(yī)療中的落地潛力，這篇就和大家聊聊這些實(shí)際的研究?jī)?nèi)容。

一、為啥微流控3D細(xì)胞培養(yǎng)成了香餑餑？

做非臨床測(cè)試的朋友都知道，傳統(tǒng)2D細(xì)胞培養(yǎng)太單薄，沒(méi)法還原器官的形態(tài)和功能，動(dòng)物模型又受樣本量、飼養(yǎng)條件限制，數(shù)據(jù)參考性總會(huì)打折扣。微流控3D細(xì)胞培養(yǎng)剛好踩在兩者的平衡點(diǎn)上，能模擬體內(nèi)3D環(huán)境，還能實(shí)現(xiàn)高通量實(shí)驗(yàn)。

FDA也在推動(dòng)減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，只要有可靠的體外模型就能替代，這讓微流控系統(tǒng)的研發(fā)更有動(dòng)力。它能批量生成細(xì)胞對(duì)藥物的響應(yīng)數(shù)據(jù)，讓臨床前的預(yù)測(cè)更精準(zhǔn)，這也是藥企和科研界看重它的核心原因。

二、生物復(fù)雜性：讓體外模型更像“活的”人體

想讓細(xì)胞培養(yǎng)模型貼近體內(nèi)狀態(tài)，生物復(fù)雜性的構(gòu)建是關(guān)鍵。靜態(tài)2D培養(yǎng)只能測(cè)測(cè)細(xì)胞活力、增殖這些基礎(chǔ)指標(biāo)，根本還原不了腫瘤免疫微環(huán)境、細(xì)胞跨血管遷移這些復(fù)雜過(guò)程。

微流控系統(tǒng)能通過(guò)微通道、微腔室控制細(xì)胞的化學(xué)和機(jī)械刺激，比如調(diào)節(jié)流體流向研究血管生成，修改基質(zhì)硬度匹配特定組織，還能實(shí)現(xiàn)上皮細(xì)胞的氣液界面培養(yǎng)。只是3D體系的通量、可定制性還存在挑戰(zhàn)，激光加工、3D打印這些技術(shù)，正在慢慢解決這些問(wèn)題。

三、目的導(dǎo)向設(shè)計(jì)：不追求完美，只貼合需求

設(shè)計(jì)3D細(xì)胞培養(yǎng)裝置，沒(méi)必要復(fù)刻人體的全部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，目的驅(qū)動(dòng)才是核心。比如想觀察體內(nèi)難見(jiàn)的細(xì)胞事件，或是研究藥物的治療機(jī)制，就針對(duì)性設(shè)計(jì)裝置就行，它能直接作為藥物評(píng)估的臨床前模型。

細(xì)胞來(lái)源的選擇會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，永生化細(xì)胞系易擴(kuò)增、可重復(fù)，適合高通量篩選；原代細(xì)胞能反映患者特異性，但獲取難；干細(xì)胞尤其是iPS細(xì)胞，能構(gòu)建個(gè)性化模型，比如分化成血腦屏障相關(guān)細(xì)胞，做專屬的通透性測(cè)試。

圖1：微流控高通量3D細(xì)胞培養(yǎng)

類器官和細(xì)胞球是模擬微生理環(huán)境的好工具，類器官能還原器官的細(xì)胞多樣性，細(xì)胞球構(gòu)建更簡(jiǎn)單、成本更低，兩者結(jié)合微流控能實(shí)現(xiàn)流體灌注、血管化，提升模型的真實(shí)性。只是類器官培養(yǎng)需要精準(zhǔn)控溫、控流，長(zhǎng)期培養(yǎng)的難度還不小。

四、培養(yǎng)體系的核心：基質(zhì)、環(huán)境一個(gè)都不能少

細(xì)胞外基質(zhì)是3D培養(yǎng)的基礎(chǔ)，水凝膠的選擇直接決定培養(yǎng)環(huán)境。膠原蛋白、明膠貼近天然ECM，適合研究細(xì)胞-基質(zhì)相互作用；海藻酸鈉機(jī)械性能可調(diào)，聚乙二醇等合成水凝膠穩(wěn)定性高，各有各的適用場(chǎng)景。

水凝膠的凝膠化過(guò)程需要精準(zhǔn)控制，比如纖維蛋白靠凝血酶催化，膠原蛋白受pH和溫度影響，快速凝膠化還容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)重復(fù)差，開(kāi)放微流控的自發(fā)毛細(xì)流能解決這個(gè)問(wèn)題，提升通量和可重復(fù)性。

培養(yǎng)的微環(huán)境控制也很關(guān)鍵，傳感器、微閥、微泵能實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)節(jié)流速、溫度、pH、氣體濃度。無(wú)泵模型不用外部設(shè)備，能同時(shí)處理多個(gè)樣本，讓高通量實(shí)驗(yàn)的操作更簡(jiǎn)單，這也是現(xiàn)在的研發(fā)方向之一。

五、高通量平臺(tái)設(shè)計(jì)：從結(jié)構(gòu)到材料的巧思

微流控3D細(xì)胞培養(yǎng)的高通量，全靠裝置設(shè)計(jì)、制備和自動(dòng)化的配合。平臺(tái)會(huì)融入器官的生理參數(shù)，機(jī)械上模擬肺的牽張、血管的剪切力，生化上構(gòu)建細(xì)胞間的信號(hào)交流、化學(xué)梯度，電學(xué)上還能通過(guò)電刺激促進(jìn)心肌、神經(jīng)組織的成熟，讓模型更貼合體內(nèi)功能。

圖2：微流控3D細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)考量

細(xì)胞圖案化能讓細(xì)胞按生理布局生長(zhǎng)，微柱陣列、凸塊結(jié)構(gòu)這些微結(jié)構(gòu)，能引導(dǎo)細(xì)胞定位，毛細(xì)閥還能實(shí)現(xiàn)不同細(xì)胞的共培養(yǎng)，讓細(xì)胞間的化學(xué)交流更可控。開(kāi)放微流控的軌道結(jié)構(gòu)靠毛細(xì)力實(shí)現(xiàn)水凝膠圖案化，減少了操作誤差，比傳統(tǒng)的微柱陣列效率高很多。

材料和制備工藝決定了平臺(tái)的可量產(chǎn)性，PDMS是常用材料，軟光刻能做復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，但量產(chǎn)難；3D打印能快速原型制作，定制性強(qiáng)；注塑成型適合大批量生產(chǎn)，和96孔、384孔板兼容，能直接對(duì)接自動(dòng)化設(shè)備。其實(shí)3D打印結(jié)合注塑成型，是現(xiàn)在兼顧定制性和量產(chǎn)性的最優(yōu)解之一。

六、高通量數(shù)據(jù)處理：從獲取到分析的升級(jí)

高通量實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，成像技術(shù)是基礎(chǔ)，熒光、共聚焦顯微鏡能實(shí)時(shí)看細(xì)胞形態(tài)、動(dòng)態(tài)，生物傳感器、微電極陣列能監(jiān)測(cè)電生理信號(hào)，質(zhì)譜、測(cè)序能做分子和基因?qū)用娴姆治?，只是部分檢測(cè)需要提取細(xì)胞，會(huì)破壞樣本。

表1 高通量微流控3D細(xì)胞培養(yǎng)模型的分析技術(shù)

技術(shù)

優(yōu)勢(shì)

局限性

成像

實(shí)時(shí)可視化細(xì)胞動(dòng)態(tài)、形態(tài)、功能標(biāo)志物

需熒光標(biāo)記；存在光漂白和光毒性

生物傳感器和微電極陣列

持續(xù)獲取細(xì)胞參數(shù)和電生理數(shù)據(jù)

儀器限制；檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)

生物發(fā)光和FRET

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)

僅適用于特定活動(dòng)和相互作用

質(zhì)譜和液相色譜-質(zhì)譜

深度分子分析

需提取細(xì)胞；耗時(shí)且昂貴

基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組測(cè)序

提取遺傳信息

需大量數(shù)據(jù)分析

流式細(xì)胞術(shù)

評(píng)估細(xì)胞表型

受限于可同時(shí)測(cè)量的參數(shù)數(shù)量

微流控藥物篩選

實(shí)時(shí)高通量多條件測(cè)試

系統(tǒng)復(fù)雜；技術(shù)難度高

細(xì)胞毒性檢測(cè)

評(píng)估細(xì)胞活力

機(jī)制性洞察有限

實(shí)時(shí)微流控裝置

捕捉細(xì)微變化的實(shí)時(shí)信息

微流控裝置與實(shí)時(shí)系統(tǒng)結(jié)合技術(shù)難度大

深度學(xué)習(xí)是數(shù)據(jù)分析的核心助力，CNN能做細(xì)胞圖像的分割、檢測(cè)，Graph神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能分析血管生成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還能實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)記的虛擬染色，減少實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)提升分析效率。多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合還存在難點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的深度學(xué)習(xí)框架還在不斷研發(fā)中。

七、未來(lái)在哪？潛力大，但難點(diǎn)也不少

微流控高通量3D細(xì)胞培養(yǎng)的技術(shù)成熟度已經(jīng)不錯(cuò)，3D打印、激光加工這些技術(shù)讓裝置設(shè)計(jì)更靈活，還能構(gòu)建多器官芯片，模擬器官間的相互作用，在罕見(jiàn)病研究中，還能實(shí)現(xiàn)“芯片上的臨床試驗(yàn)”，解決臨床樣本少的問(wèn)題。

表2 高通量3D細(xì)胞培養(yǎng)模型

生物驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

制備與材料

可擴(kuò)展性與標(biāo)準(zhǔn)化

分析

主要成果

腫瘤球

3D打印與注塑成型混合工藝

改良型玻片式96孔板

共聚焦顯微鏡（如AI驅(qū)動(dòng)的形態(tài)分析（分支、密度、尖端數(shù)量））

開(kāi)放微流控裝置中構(gòu)建血管化腫瘤球；重復(fù)性好

軟光刻（PDMS）

40行25列（1000個(gè)對(duì)接位點(diǎn)）

活性氧生成檢測(cè)

探究缺氧環(huán)境對(duì)腫瘤微環(huán)境中化療的影響

正弦血流

熱塑性材料（COC）、透氧材料（FEP）

96個(gè)微流控陣列

細(xì)胞色素活性檢測(cè)、分泌蛋白分析（Luminex）、共聚焦顯微鏡

超小體積再循環(huán)泵系統(tǒng)

可灌注血管

PDMS、無(wú)底96孔板

96孔板中含12個(gè)微流控樣本

共聚焦顯微鏡

在血管化腫瘤模型中篩選12種化合物的抗癌效果

血管化腫瘤微環(huán)境

注塑成型

改良型玻片式384孔板

共聚焦顯微鏡

觀察腫瘤的外滲和內(nèi)滲過(guò)程

軟光刻

384孔板

共聚焦顯微鏡；組織切片

血管化腫瘤類器官培養(yǎng)；免疫細(xì)胞募集與分化

注塑成型

24孔板

共聚焦顯微鏡；轉(zhuǎn)錄組分析

模擬序貫旁分泌信號(hào)事件

多器官血管化

立體光刻模具+PDMS澆鑄

10種不同器官芯片

藥代動(dòng)力學(xué)-藥效學(xué)分析（ELISA、屏障功能、乳酸脫氫酶檢測(cè)、共聚焦顯微鏡、質(zhì)譜）

機(jī)械臂動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)控制芯片間培養(yǎng)基及其他流體流動(dòng)

肝和腎毒性

3D打?。ㄐ酒瑢Ｓ眠m配器）

8個(gè)芯片適配器

表型分析（共聚焦顯微鏡）

基于智能掃描算法的成像自動(dòng)化流程

肝和心臟類器官

軟光刻（PDMS）

定制化格式

表型分析（熒光顯微鏡）

基于閥控制器的自動(dòng)化流動(dòng)與藥物篩選

胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）

軟光刻（PDMS）

200孔陣列+微型氣動(dòng)電磁閥

表型分析（共聚焦顯微鏡）

基于多路復(fù)用控制裝置的四種藥物組合動(dòng)態(tài)篩選

結(jié)直腸類器官和球狀體

軟光刻（PDMS）

24孔板微陣列孔

表型分析（共聚焦顯微鏡）+RNA測(cè)序分析

基于 robotic 液體處理系統(tǒng)的自動(dòng)化藥物篩選及基于CellProfiler和KNIME的自動(dòng)化圖像分析

微血管網(wǎng)絡(luò)

軟光刻（PDMS）

定制化模塊化微流控平臺(tái)

表型分析（共聚焦顯微鏡）

利用模塊化微流控系統(tǒng)獲取腔室內(nèi)多種流動(dòng)條件數(shù)據(jù)

微血管網(wǎng)絡(luò)（血管生成）

注塑成型

384孔板

表型分析（共聚焦顯微鏡）

獲取大量遺傳和形態(tài)學(xué)信息

血管炎癥

注塑成型

384孔板

共聚焦顯微鏡；跨上皮電阻檢測(cè)

通過(guò)跨上皮電阻表征炎癥反應(yīng)

血腦屏障微環(huán)境

軟光刻（PDMS）

定制化格式

形態(tài)學(xué)成像+外滲細(xì)胞計(jì)數(shù)

通過(guò)AI學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移潛力

PDMS+玻璃底24孔板

24孔板基底

細(xì)胞活力檢測(cè)、堿性磷酸酶活性檢測(cè)、實(shí)時(shí)定量逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)、共聚焦顯微鏡

基于約800+圖像訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估藥物響應(yīng)

軟光刻（PDMS）

定制化格式

形態(tài)學(xué)成像（共聚焦顯微鏡）

基于圖像的癌細(xì)胞檢測(cè)與亞型分類

亞細(xì)胞器

孔板

孔板

人工智能驅(qū)動(dòng)的透射光顯微鏡

無(wú)需標(biāo)記即可實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)識(shí)別與功能分析

只是想讓它成為通用的非臨床測(cè)試工具，還有很多坎要跨。首先是標(biāo)準(zhǔn)化，裝置設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)解讀都需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，還要和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室儀器兼容；其次是多組學(xué)分析，從微流控裝置中提取細(xì)胞和組織容易造成損傷，裝置設(shè)計(jì)需要針對(duì)性優(yōu)化；最后是復(fù)雜性和通量的平衡，不用追求極致的生物復(fù)雜性，貼合具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)康木秃谩?/p>

監(jiān)管層面也需要明確這類系統(tǒng)的使用場(chǎng)景，完成資格認(rèn)證和驗(yàn)證，才能真正走進(jìn)藥企和臨床實(shí)驗(yàn)室。坦白講，這個(gè)領(lǐng)域不是一蹴而就的，但能看到它一步步貼近實(shí)際應(yīng)用，未來(lái)在藥物研發(fā)、個(gè)性化醫(yī)療中的價(jià)值，值得期待。

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