器官芯片是利用微芯片制造方法创建的微流控细胞培养装置，该装置包含持续灌流的腔室，腔室内有按组织和器官级别生理学排列的活细胞。通过再现体内的多细胞结构、组织-组织界面、物理化学微环境和血管灌流，这些装置能够实现传统二维或三维培养系统无法达到的组织和器官功能水平。此外，它们还能实现对活细胞在功能性组织和器官环境中的生化、遗传和代谢活动的高分辨率、实时成像和体外分析。这项技术在推动组织发育、器官生理学和疾病病因学研究方面具有巨大潜力。在药物发现与开发的背景下，尤其在研究分子作用机制、优先选择候选化合物、毒性测试和生物标志物识别方面，它将具有特别重要的价值。相关论文 「Microfluidic organs-on-chips」 由美国马萨诸塞州剑桥市科赫研究所电气工程与计算机科学系和麻省理工学院医学工程与科学研究所和布罗德研究所的 Sangeeta N Bhatia 和美国马萨诸塞州波士顿哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的 Donald E Ingber 于 2014年8月5日发表于【Nature Biotechnology】上。
器官芯片是什么？
器官芯片是一种微流控装置，其设计目的在于在微米级腔室中培养活细胞，模拟组织和器官的生理功能。它们旨在构建最小的功能单元，以再现特定组织或器官的功能，而非完整的活体器官。最简单的器官芯片系统包含一个微流控腔室，用于培养特定类型的细胞并展示特定组织类型的功能。更复杂的设计则涉及多个微通道和多孔膜，用于模拟不同组织之间的界面，例如肺泡-毛细血管界面或血脑屏障。这些系统结合了物理力学，如流体剪切应力、循环应变和机械压缩，并允许研究药物、毒素或其他环境因素对细胞反应的影响。器官芯片可由不同器官细胞排列并通过流体连接的芯片或模拟不同器官之间生理相互作用的间质组织区域制成。 制造器官芯片通常采用软光刻技术，该技术利用液态聚合物在硅基板上形成橡胶状材料（图1b），以创建微米级腔室或通道。 关键特征包括光学透明性，使得对细胞响应的实时高分辨率成像成为可能。通过微尺度制造方法，如微模塑、微蚀刻和激光蚀刻，使用各种材料制造了类似的装置（图1a）。用于培养细胞的微型灌注生物反应器是通过在中央通道表面涂覆 ECM 分子，让细胞流入通道使其粘附在 ECM 基质上，然后用培养基持续灌注通道而制成的（图 2a）。
图1 微流控芯片的制造方法。(a) 复制成型可制作形状与光刻蚀刻在硅片上的图案互补的印章。将一层均匀的感光材料 (光刻胶) 薄膜旋涂在硅片上，然后用光掩模 (例如，用不透明铬层图案化的透明玻璃板) 覆盖硅片，光掩模上带有用计算机辅助设计软件生成的微尺度图案。光掩模在高强度紫外线 (UV) 光照射期间保护光刻胶的某些区域并暴露其他区域。紫外线照射的材料会溶解在显影剂溶液中，从而使微尺度图案蚀刻在光刻胶中。表面形貌与蚀刻表面互补的弹性印章是通过复制成型技术创建的，其中 PDMS 的液态预聚物被浇铸在蚀刻的光刻胶图案之上，然后聚合并剥离。PDMS 印章可用于在任何基底上微接触打印 ECM 分子，包括微流体装置内的 ECM 分子（未显示）。（b）单通道微流体装置是通过制作具有两个入口、一个主通道和一个出口的 PDMS 印章并将其保形密封到平板玻璃基底上来制造的。右侧显示了双室微流体培养装置的照片，其中红色和蓝色染料通过上下通道灌注。透明侧通道用于施加周期性吸力，以有节奏地扭曲柔性中心膜和粘附细胞。
系统参数的控制
微流控芯片的应用可以控制在传统的三维静态培养或生物反应器中难以控制的系统参数，从而推动了对广泛生理现象的研究。这些装置完全微工程化，能与微传感器集成，以监测培养的细胞或微环境条件，这在自组织的三维培养中通常不可行。微传感器已集成到芯片上，用于分析组织屏障的完整性、细胞迁移和流体压力，未来还可能检测其他化学和培养条件。
流体流动控制在微流控芯片中被证明非常有用。微流控通道的层流流动使得生成物理和化学梯度成为可能，已被用于研究细胞迁移、心脏组织形成、神经轴突生长等，通过调整流速或通道尺寸，以及使用微工程支柱分离细胞与流动路径，可以独立控制流体剪切应力与物理和化学梯度。
细胞图案化的控制是微流控芯片的另一个优势。通过在微通道中以不同图案接种不同类型的细胞，可以实现多样化的细胞排列 （图2b）。更新的芯片设计还允许在三维ECM凝胶中嵌入细胞（图3），以及创建多细胞结构（图2c和图4a）。
将多孔基底集成以分隔微通道，使得分析组织屏障功能和跨细胞运输成为可能。此外，芯片还可以模拟复杂的机械微环境，如循环机械应变和流体剪切应力（图4b,c,d）。
尽管大多数研究是在已建立的细胞系或原代细胞上进行的，但微流控芯片的技术原则上适用于各种细胞类型，包括植物和昆虫细胞。使用干细胞，特别是iPS细胞，有望实现个性化的「芯片上的人」，其中所有的器官芯片都源自单个患者。
图 2 日益复杂的单通道器官芯片设计示例。(a) 单一类型的细胞以单层形式培养在微流体通道一侧的平面刚性（例如玻璃）或柔性（例如 PDMS）基底上，培养基通过微流体通道灌注。(b) 两种类型的细胞通过在微流体室内微图案化 ECM 粘合岛直接并列培养，这些粘合岛优先支持一种细胞群（例如肝细胞）。首先输送这些细胞，然后用第二种细胞群（例如成纤维细胞）填充空白处。(c) 在微流体通道中培养用 ECM 设计的组织构造中的细胞。在此示例中，在涂在基底上的薄 PDMS 层上以线性图案微接触打印 ECM 用于定向肌肉细胞以创建各向异性的肌肉组织层。当 PDMS 薄膜的部分从基底上释放出来时，细胞收缩时它们会弯曲起来，从而可以测量流动状态下的细胞收缩力。
器官芯片能否模拟器官级功能和疾病？
器官芯片在研究器官生理和疾病的基本机制方面具有巨大潜力。 它们特别适合研究依赖于组织微观结构和灌流的生物现象，以及涉及相对急性（持续时间小于1个月）的病理生理过程。 过去十年中，研究人员已经制造了用于研究肝脏、肾脏、肠道、肺、心脏、平滑和横纹肌、脂肪、骨骼、骨髓、角膜、皮肤、血管、神经和血脑屏障等的芯片。这些装置中，许多不能被视为完整的器官模型，因为只在一个微通道中培养了一种细胞类型。然而，它们揭示了流体流动和剪切应力对细胞形态和功能的强大影响。例如，在动态流动下的24小时内，微流控腔室中的混合初级肝细胞群形成了两个门户区样和静脉样细胞区。流动造成的可溶性物质的消耗产生了溶解氧和可溶性生长因子的梯度，氧张力被证明是「分区」反应的主要决定因素。
图 3 结合 ECM 凝胶的血管生成和免疫细胞侵袭的微流控芯片模型。(a) 牺牲材料以线性模式沉积在 ECM 凝胶中，然后被移除以创建两个通道（左）。一个通道中充满血管内皮 (EC) 细胞，另一个通道用于递送血管生成因子。血管生成刺激诱导内皮细胞进行发芽血管生成，然后功能性地连接到源通道，形成支持液体流动的新微血管（右）。红色表示在培养基中流动的微粒。(b) 一种梯度产生微流控培养装置，用于分析免疫细胞在受到趋化梯度刺激时通过 ECM 凝胶的迁移
通过微结构提高芯片功能
细胞间的相互作用对于维持组织结构和功能至关重要。 在肝脏芯片中，通过将高密度同质细胞环境中的初级人肝细胞与活性流通道分离，可以模拟异质相互作用。这种设计使得维持肝细胞的代谢活性超过7天成为可能，并且允许对依赖于功能性肝细胞的药物双氯芬酸（伏特加）的肝毒性进行分析。尽管在没有流动的情况下，异质细胞间相互作用可以稳定人肝细胞的功能，并改善药物代谢和毒性测试的预测性，但基于流动的芯片能够动态监测代谢产物的生成。
在器官芯片中，氧张力的动态变化被用于引发疾病状态，如心脏缺血或镰状细胞病中由去氧化的血红蛋白S聚合引起的血管阻塞。 这种模型提供了观察发生在活体器官深处的病理生理学的窗口，使得可以评估治疗这些危及生命的疾病的药物候选物。
另一方面，低水平的流体剪切应力在与活体肾脏的集合管和近端小管中观察到的剪切应力类似，增强了分化并增加了分子和药物的运输功能。最近的研究表明，通过使用肾脏芯片，可以重建在蛋白尿性肾病发展过程中导致肾间质纤维化的上皮-间质转化。
微通道的形状也可以被改变以模拟紊流， 例如，在内皮细胞衬里的微通道中的一个狭窄或狭窄区域可提供对异常血流动力学如何促进动脉粥样硬化斑块周围的血栓形成的见解。
结合与体内类似的流体流动和机械强制方案可以改善组织和器官的特异性功能。 比如，对人骨髓和脂肪细胞芯片施加动态液压压缩能增加骨分化，这通过成骨基因表达和骨诱导ECM成分的产生来衡量。此外，将Caco-2细胞在柔性、多孔的ECM涂层膜上培养，并暴露于类似于肠腔中的滴流和模仿活肠蠕动运动的周期性机械变形时，它们可以重新组织成为类似于小肠绒毛结构的三维起伏组织结构。
图 4 日益复杂的器官芯片设计示例。(a) 肝脏芯片，其中由含有肝细胞和成纤维细胞的微尺度水凝胶组成的肝脏微组织在一个微流体系统中进行微工程设计（顶部），然后用于填充另一个芯片进行培养和实时多路复用分析（底部）(b) 肾脏芯片，其中人类肾脏近端小管上皮细胞在分隔两个通道的多孔膜顶部培养，从而能够分析跨细胞运输、摄取和分泌 (c) 肠道芯片，其中人类 Caco-2 肠上皮细胞培养在 ECM 涂层的多孔 PDMS 膜上，该膜将两个通道隔开。(d) 一个「呼吸」肺芯片，重现了肺泡-毛细血管界面。人类肺泡上皮细胞培养在柔性多孔 ECM 涂层膜上，人类毛细血管内皮细胞培养在底部。
建模器官水平的生理学和疾病模型
细胞培养在模拟芯片上组织微环境方面已取得一定进展，但单一细胞类型的应用通常无法完全复制器官的功能。关键在于结合多种不同类型的组织。最近的研究显示，已经在这个领域取得了显著进展。
举例来说，人类血脑屏障芯片通过在多孔的聚碳酸酯膜上培养人类脑微血管内皮细胞和星形胶质细胞，成功地模拟了部分血脑屏障的功能。这种芯片具有更高的跨上皮电阻（TEER）和更强的大分子渗透性，相比传统的培养系统有显著的优势，可用于研究中枢神经系统渗透屏障和药物通过血脑屏障的效果。类似地，创建了包含多种不同类型脑细胞的神经血管单元微流体模型，使得在芯片上模拟神经系统的复杂反应成为可能。这种模型不仅保持了内皮细胞的屏障功能，还模拟了神经炎症和神经元突触形成等生理过程。
另一方面，研究还利用芯片模型来探索神经系统疾病的机制。例如，通过在芯片上共培养遗传改造的神经元和星形胶质细胞，成功模拟了肌萎缩侧索硬化症的氧化应激损伤。而人类「呼吸」肺芯片则通过模拟肺泡毛细血管界面的周期性机械应变，提供了研究肺部疾病发病机制的重要工具。这些研究表明，在芯片上结合不同类型的细胞和组织，可以更好地模拟器官级别的功能，为疾病建模、药物筛选和基础生物学研究提供了重要的平台。
器官芯片在药物开发中展现出巨大前景，特别是在ADMET测试和PK/PD建模领域。这些微工程化设备能够复制人体器官的复杂交互和功能，提供比传统体外或动物模型更准确、更符合人类的数据。
ADMET测试
ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）测试对于评估新药的安全性和有效性至关重要。器官芯片可以显著改善这一过程：
吸收和分布： 通过模拟人体组织的生理屏障和流体动力学，器官芯片能够更准确地预测药物的吸收和分布。例如，血脑屏障（BBB）芯片可以评估药物的通透性，提供药物是否能够穿过这一关键屏障的宝贵数据。
代谢： 肝脏芯片模型对于研究药物代谢特别有用。这些设备可以模拟药物的肝脏代谢，包括活性或毒性代谢产物的形成。例如，在芯片上使用HepG2/C3A细胞研究抗癌前药氟他胺及其活性代谢物羟基氟他胺的代谢，揭示了不同的代谢标志物和肝毒性。
排泄： 器官芯片还可以模拟肾功能以研究药物代谢产物的排泄。肾脏芯片可以评估药物及其代谢产物的过滤和排泄，提供关于肾脏清除率和潜在肾毒性的见解。
毒性： 多器官芯片可以用来研究药物在各种组织中的毒性。例如，肝肾芯片展示了对乙酰氨基酚引起的剂量依赖性肝毒性和谷胱甘肽耗竭，精确模仿了体内反应。
PK/PD建模
药代动力学（PK）和药效动力学（PD）建模涉及理解药物在体内的处理方式及其生物效应(图5)。器官芯片为PK/PD研究提供了多种优势：
实时监测： 这些设备允许实时监测药物对不同组织的影响，提供关于药物吸收、分布、代谢和排泄的动态数据。
机制性见解： 器官芯片可以帮助阐明药物作用和毒性的机制。例如，肺芯片被用来研究二氧化硅纳米颗粒的运输以及呼吸运动在增强纳米颗粒摄取和诱导血管通透性方面的关键作用。
物种特异性差异： 通过使用人类细胞，器官芯片可以克服动物模型中常见的物种特异性差异。例如，肾脏芯片能够测量静态培养或动物模型中无法检测到的OCT2特异性顺铂毒性。
图 5 用于 PK/PD 建模的多器官微流体框架。（a）三腔芯片的示意图（顶部）和照片（底部），用于 PK 建模，通过流动培养基流过肝脏、肿瘤和骨髓细胞，这些细胞在单独的腔中以单层形式培养并通过流体连接。（b）a 中显示的芯片中肝脏、肿瘤和骨髓区室之间的连接流程图（顶部），以及每个区室中细胞死亡的药效学模型（底部）
药物开发应用
药物筛选： 器官芯片可用于高通量药物候选筛选。它们提供了更准确的人体生理模拟，允许更好地预测药物的有效性和毒性。
个性化医学： 这些设备可以用患者衍生的细胞定制，创建疾病的个性化模型，从而开发针对性的治疗方案和更有效的治疗策略。
监管测试： 器官芯片有潜力改进监管测试，提供更可靠的药物安全性和有效性数据，可能减少动物测试需求并加速药物审批过程。
案例研究
癌症药物测试： 一个涉及肝脏、骨髓和癌细胞的连接腔室的研究表明，联合使用阿霉素和MDR调节剂对MDR癌细胞变体的抗增殖作用比单独使用这些化合物更强，而这一结果在传统静态培养中无法实现。
BBB芯片： 该模型准确预测了各种药物的通透性，与体内数据高度相关，提供了药物穿越血脑屏障的见解。
肝肾芯片： 该模型展示了对乙酰氨基酚对肝脏和肾细胞的影响，显示了器官系统的相互联系以及在药物测试中考虑多器官相互作用的重要性。
总之，器官芯片为药物开发提供了一个强大的平台，提供了更符合人类生理和动态模型的ADMET测试和PK/PD研究。它们能够复制复杂的器官功能和交互，可以更好地预测药物的安全性和有效性，最终改进药物开发过程并推动个性化医学的发展。
器官芯片的优点与局限性
细胞定位精准： 器官芯片可以精准地定位不同类型的细胞，使其相对于彼此的位置得以控制，从而能够在受控环境中研究组织间的相互作用。
高分辨率成像： 由于其小尺寸和受控环境，器官芯片有助于实时高分辨率成像细胞和分子事件。
流体流动控制： 这些系统能够控制流体流动，增强细胞分化、功能和长期存活。这一特点对模拟生理条件和研究慢性病理生理反应特别有用。
可重复性和可扩展性： 器官芯片提供可重复的实验条件和可扩展性，使得能够更容易地进行大样本量的研究，并增加结果的统计显著性。
与分析检测方法的整合： 这些系统可以与各种分析检测方法（如荧光共聚焦显微镜、微流荧光法和TEER测量）整合，实现对细胞反应的全面分析。
模拟器官级功能：虽然不能完全复制整个器官的复杂性，但器官芯片可以模拟某些器官级功能和对化学或电信号的反应，为理解器官生理和疾病机制提供宝贵的见解。
然而，器官芯片也存在一些局限性：
技术挑战： 器官芯片的制造需要专业的微工程能力，并且需要解决微流体通道中气泡形成和矩阵随时间的降解等技术挑战。
宏观结构的有限复制：在微观尺度上复制较大的3D器官或组织截面的宏观结构和空间异质性是具有挑战性的。
模拟复杂器官功能： 由于其宏观尺度结构，某些器官功能（如大脑的认知功能和骨骼、韧带和肌腱的机械功能）在芯片上的模拟具有挑战性。
与循环细胞的相互作用： 虽然器官芯片可以模拟与血液、免疫或肿瘤细胞等循环细胞的相互作用，但在完全复制这些相互作用的复杂性方面仍然存在挑战。
总之，器官芯片为研究器官生理、疾病机制和药物反应提供了一个强大的平台，但需要解决技术挑战，并提高这些系统的复杂性，以充分发挥其在生物医学研究和药物开发中的潜力。
前景
人类器官芯片代表了生物医学研究的潜在变革。作为传统细胞培养和动物模型的替代方案，它们有望在多个领域带来重大影响。这些芯片可用于研究器官发育和疾病的分子机制、器官间的相互作用，以及身体与药物、环境因素、消费品和医疗器械等刺激物的相互作用。通过结合特定患者的原代或诱导多能干细胞，甚至基因编辑技术，器官芯片可以用于开发个性化的健康与疾病模型。
然而，目前器官芯片在某些生物医学研究领域仍存在局限性，如慢性疾病、适应性免疫反应，以及内分泌、骨骼或神经系统的复杂系统级行为。它们主要适用于研究相对短时间内发生的生理和疾病过程（不到1个月），并且依赖于组织或器官特异性的微观结构。例如，肝脏芯片可用于研究肝脏生理的多个方面，如特异性蛋白的产生、细胞运输以及应对压力反应的机制。尽管肝脏芯片展现了在药物相互作用方面的潜力，但它们仍面临一些挑战，如剂量依赖性、种属特异性和相对急性的药物相互作用等问题。
除此之外，长期过程和慢性疾病的研究在任何体外模型中都具有挑战性。尽管一些长期过程的特征可能在芯片上得以复制，但对于一些慢性疾病的研究，如纤维化，肝脏芯片等技术仍然面临挑战。然而，即使在面对这些挑战时，器官芯片也提供了独特的研究机会，例如模拟特定患者的特异性药物毒性反应。因此，尽管还有一些问题需要解决，但器官芯片代表了生物医学研究的一个激动人心的发展方向，为未来的研究和药物开发提供了新的可能性。
