器官芯片：近期突破和未来展望（二）

微流控芯片

2015年，Stucki等人报告了一个模仿肺实质的肺芯片。该系统包括一个肺泡屏障和模拟呼吸的3D循环应变，代表了第一个模拟呼吸的弹性膜扩张模型。Blume等人制作了3D呼吸道培养模型，模拟了通过液体和介质交换的肺间质流动。这使得对上皮屏障进行更深入的生理学研究成为可能。该模型使用带有可渗透过滤器的支架作为单个组织培养腔，并结合多个腔以提高集成度。在芯片肺中，在通过微流体系统模拟肺气液界面和呼吸扩张的同时，可以对肺泡和连接的毛细血管施加压力，提供剪切流分布。这逼真地模拟了肺部环境。Humayun等人在水凝胶膜的不同侧培养呼吸道上皮细胞和平滑肌细胞，以评估其作为生理模型的适宜性。该系统与微环境线索和毒素暴露相结合，作为慢性肺部疾病的生理模型。Yang等人制备了聚(乳酸-乙醇酸)(PLGA)电纺纳米纤维膜，作为细胞支架的芯片基质。鉴于该系统的简便性，它适用于肺肿瘤的精确治疗，并强调了组织工程的方法。

肺组织器官芯片作为植入式呼吸辅助装置很有用。彭等人设计了肺辅助装置(LAD)，允许早产儿在呼吸衰竭期间在胎盘中进行额外的气体交换。在脐动脉和静脉中实现了大口径通道的概念，为LAD提供了高水平的体外血流。这增加了效用，因为脐血管扩张阈值的临床试验是不道德的。这项研究首次系统地量化了导管扩张对脐带血管的损害。Dabaghi等人采用双面送气方式对微流控血液氧合器进行了微细加工，以改善气体交换。与单面装置相比，摄氧量增加到343%。Xu等人使用微流控芯片平台模拟肺癌细胞系和原代癌细胞的微环境，并测试不同的化疗药物。最近的另一项研究在“芯片上的小气道”模型中模拟哮喘。利用人类哮喘和慢性阻塞性肺疾病的呼吸道模型，测试了治疗方法，并概括了芯片模型对类似治疗的体内反应。

肾脏OOAC
肾脏负责维持药物的渗透压排泄。肾毒性导至不可逆转的肾滤过丧失，凸显了药物筛选系统的必要性。滤过和重吸收发生在由肾小球、肾被膜和肾小管组成的肾单位。微流体可以模拟支持肾小管细胞生长的流体环境，并为维持细胞极性提供多孔膜支持。

Jang等人制造了第一个多层微流控系统(图3A)，其中使用小鼠肾脏髓质集合管细胞来模拟肾滤过。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运输来响应激素刺激，增强内髓集合管的极性。2013年，同样的微流控设备被用于培养人的原代肾上皮细胞。这是对原代肾脏细胞的第一次毒性研究。该设备能够以传统细胞培养或动物模型所不可能的方式，直接可视化和定量分析完整肾小管的各种生物学过程，并可能被证明有助于研究肾脏功能和疾病的基本分子机制。

传统细胞培养系统的缺点是，细胞分化为功能细胞需要延长培养时间和外部信号检测系统，Musah等人描述了在器官培养设备中诱导多能干细胞来源的足细胞形成人肾小球芯片(图3B)的方法。这些模拟了肾小球毛细血管壁的结构和功能，这是以前使用的方法不可能做到的。该芯片适用于肾毒性评估、治疗开发、再生医学以及肾脏开发和疾病。Sakolish等人在人体近端小管和肾小球中制造了一种可重复使用的微流控芯片，使肾上皮细胞能够在各种条件下生长。剪切力会引起肾毒性。Schutgen等人设计了稳定的小管培养系统，允许扩展扩张和人体肾组织分析。基于该系统，开发了一个多用途的原代肾上皮细胞培养模型，使快速和个性化的分子和细胞分析、疾病建模和药物筛选成为可能。陶等人]提出了一种从人诱导的多能干细胞中产生人胰岛类器官的有效策略。该策略适用于以干细胞为基础的有机工程和再生医学的一系列应用。

心脏器官芯片

心血管死亡是人类死亡的主要原因。微流体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(CM)的搏动可用于直接评估药物效果，并与心脏搏动直接相关。2012年，Grosberg等人用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成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。随着CMS的收缩，肌肉膜向一侧卷曲。通过测量这种卷曲的程度，可以分析PDMS膜上细胞收缩能力的大小的差异。该实验系统既适用于单一肌膜的检测，也适用于高通量的自动化多平板检测。随后，在2013年，张等人利用水凝胶在PDMS模型中制备自组装心肌片。CMS来源于分化后的心肌。微器官组织芯片是从3D打印技术中生产出来的，它允许心肌和血管系统的整合。该模型利用血管内皮细胞形成血管网络，并在血管网络缝隙中加入CMS。该器官芯片为心血管相关药物提供了一个筛选平台。

张等人介绍了一种使用高速阻抗检测来评估心脏药物疗效的单芯片心脏装置。该设备记录CMS的收缩，以揭示药物效应。该芯片代表了对药物心脏疗效的临床前评估。Marsano等人建立了模拟CMS生理和机械环境的心脏器官平台(图4)。直接进行可视化和定量分析，这在传统的细胞培养或动物模型中是不允许的。该平台代表了该领域的进步，并提供了标准的功能3D心脏模型。这使该设备成为一个创新和低成本的筛选平台，以提高体外模型的预测能力。施耐德设计了方便高效的芯片，可以在受控环境中基于人类诱导的多能干细胞生成心脏组织。在延长的时间内维持心肌组织的活性和功能，并对详细的时空脉动动力学进行光学检测。该平台可用于各种生物医学应用。此外，Tzatzalos等人报告称，HiPSC-CMS可代表健康和疾病特异性CMS评估扩张型心肌病药物疗效的无限潜力。药物开发方面的这些进展对心血管组织具有重要影响，因为心脏毒性经常出现在药物试验中，这是临床试验暂停或药物退出市场的主要原因之一。

肠道器官芯片

口服药物必须横穿小肠才能进入血液，绒毛是吸收的关键，它们的形态必须在芯片上保持。Imura等人开发了模拟肠道系统的芯片，由玻璃玻片透膜和含有通道的PDMS片组成。在芯片上培养Caco-2细胞。Sung等人制造了第一个模拟人类肠道绒毛的3D水凝胶结构。Kim等人生产的仿生设备(图5)，通过剪切力和循环应变重建肠道微环境。Caco-2细胞表现出较长的生长时间，并保持了人体肠道中的微生物菌群。肠道的复杂结构和生理学为药物筛选以及肠道微生物群、炎细胞和蠕动相关的机械变形在肠道疾病中的作用提供了一个平台。该设备允许探索肠道疾病的病因，并确定治疗目标和药物。这项研究展示了芯片上的肠在针对肠道细胞的个性化药物研究中的潜力。

肠细胞单独培养或与包括HUVECs在内的内皮细胞培养,基因组的保真度很低，所以芯片模仿了肠道功能。Kasendral等人结合肠道组织工程和OOAC技术建立人十二指肠的体外生物学模型。培养在芯片中的肠上皮细胞来自内窥镜活检或器官切除。这个芯片代表了最接近真实的十二指肠的模型，并复制了小肠的关键特征。最近的发现加强了我们对肠道微生物组和肠道形态的了解。

多器官芯片

一系列的生理途径需要持续的介质循环和组织间的相互作用，单一器官芯片不能充分反映器官功能的复杂性、功能变化和完整性。“多器官芯片”，也被称为“人体芯片”同时构建了多个器官，引起了明显的研究关注。多器官芯片上同时培养不同器官和组织的细胞，这些细胞通过通道(仿生血管)连接起来，实现多器官整合，允许检查相互作用以建立系统。这些方法可分为静态、半静态和随机方法。静止的多个器官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Transwell®的组织嵌入物连接。在灵活的系统中，各个特定器官的平台使用灵活的微通道相互连接。在这样的系统中，灵活的机制是有利的，并且重建了多个器官。虽然多器官芯片的概念还处于起步阶段，但已经取得了重大突破，包括两个器官、三个器官、四个器官和十器官芯片的设计。

2010年，Van等人是第一个在微流控装置中将肝脏和肠道结合在一起的人。肠和肝脏切片在芯片上发挥作用，并展示了其对器官相互作用的适用性，包括调节胆汁酸合成。这一系统使体外研究成为可能，并为器官之间的相互作用提供了观察点。自那以后，更多的器官被集中在单个芯片上。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控细胞活性。随着芯片上器官数量的增加，系统的复杂性也会增强，不可避免地会导至不可预测的结果。简化现有系统对于实现更广泛的应用至关重要。Lee等人制造的无泵、用户友好的单芯片多器官，易于组装和操作。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(图6)。该系统具有多个多器官培养单元同时运行、微流控网络设计灵活、移液管友好的液体处理界面、适用于微孔板中广泛使用的实验方案和分析方法等优点。这一多器官培养平台将成为药物发现的有利研究工具。

OOAC的持续发展依赖于设计、建模、可制造性和可用性方面的进步。Lantada发明了激光技术的创新组合。对人类间充质干细胞的评估证实了该技术的有效性，生成的芯片是透明的，便于成像程序。这种技术对大规模生产的芯片有益，并对能源、交通和航空航天行业具有实用价值。

干细胞工程

生物组织的来源是OOAC设计中最重要的参数之一。干细胞无需组织活检即可从人体中提取，根据定义，干细胞是任何能够自我更新并具有分化为一种或多种特化细胞类型的细胞。最常见的类型包括胚胎干细胞(ESCs)、诱导多能干细胞(IPSCs)和成体干细胞(ASCs)。这些细胞可以作为OOAC的生物组织来源。最常见的人类ASCs是间充质干细胞(MSCs)，它是从成人组织中提取的多能干细胞[126]。骨髓间充质干细胞(BMSCs)通常来自骨髓或脂肪组织，由于它们易于从组织活检中提取，因此成为一个有吸引力的选择。由于其有限的分化能力，缺乏一致的衍生方案和明确的生物学反应，骨髓间充质干细胞在OOAC模型中的应用不如其多潜能的同类细胞。人类胚胎干细胞来源于胚泡或胚胎的内部细胞。

根据来源，它们的功能并不是单一的，并从三个胚层中的任何一个分化为任何类型的成体细胞。然而，人类胚胎干细胞必须来自人类胚胎，这在伦理上存在争议，进而导至法规和限制。由于围绕胚胎干细胞的伦理争论和生产大量遗传多样性细胞系的技术困难，将人类胚胎干细胞应用于临床试验比将其用作治疗药物评估的疾病模型中的精确药物替代品更困难。像胚胎干细胞一样，间充质干细胞是多能的，可以从所有三个胚层分化出来。由于IPSCs来自成人组织，而不是胚胎组织，因此它们避免了与ESCs相关的伦理问题。在相同遗传背景的细胞中，ESCs和IPSCs在基因表达水平、表面标记表达和形态方面没有显著差异。除了绕过伦理争议，IPSCs相对于ESCs的另一个优势是，它们可以从已知疾病表型的捐赠者那里获得，这可以用于特定患者的疾病模型和药物筛选。

器官芯片(OOAC)设备的组织来源。与细胞系和原代细胞一样，胚胎干细胞(ESCs)、诱导多能干细胞(IPSCs)和成体干细胞(ASCs)可以分化并整合到微流控芯片中。该图显示了OOC设备中ESCs、ASCs、IPSCs、原始和组织活检以及细胞系的优势(白色)和局限性(黑色)。细胞系和原代细胞在卵母细胞中更为常见，因为它们通常表现出良好的生物反应特性。然而，细胞系不能代表正常的生理条件，原代细胞培养时间有限，质量不稳定。相比之下，干细胞很容易获得，是一个无限的细胞来源。即使目前在分化和成熟方案方面存在限制，干细胞仍然是一项很有前途的技术，可以被整合到OOC设备中。

因为干细胞比许多原始细胞类型和组织活检更容易获得，而且它们比其他细胞系更具生理学代表性，很可能成为未来OOAC的主要组织来源(图8)。继续研究干细胞在芯片上分化为功能器官模型的方法将有助于干细胞方法的改进和OOAC技术的进步。

结论和未来展望

我们回顾了OOAC技术的最新进展。微流控芯片为OOAC的发展提供了良好的支持。它的发展引起了世界范围内的研究关注，并取得了巨大的科学进步。已经设计和制备了大量的OOAC。人们已经研究了一系列人体器官。OOAC的最终目标是将众多器官集成到一块芯片中，并构建更复杂的多器官芯片模型，最终实现人体芯片。

尽管OOAC技术发展迅速，但人体芯片的理论仍然遥不可及。PDMS是最广泛使用的材料，但也有缺点，因为生成的膜比体内的形态更厚。疏水小分子的吸光度降低会影响溶剂的效率和毒性。因此，有必要确定合适的替代材料。目前，制造和实验实施的成本相对较高，不利于器官芯片的广泛使用，因此零部件必须成本低、易于处置。更昂贵的组件应该可以重复使用。在集成系统组件方面，必须减小介质体积和连接器大小以供一般使用。在芯片上采集样本可能会干扰其操作，导至各种代谢物的浓度发生变化。因此，需要更合适的传感器。还需要适用于所有器官的通用细胞培养液。最关键的是，随着芯片上器官数量的增加，功能变得更加复杂，产生的数据带有虚假的和不可翻译的风险。这是目前无法解决的问题。在长期重复给药或芯片研究的情况下，体外确定的生物标记物可能不能完全反映体内的等效性。

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