摘要

芯片器官(OOAC)是十大新興技術(shù)之一，指的是建立在微流控芯片上的生理器官仿生系統(tǒng)。通過細胞生物學、工程學和生物材料技術(shù)的結(jié)合，芯片的微環(huán)境在組織界面和機械刺激方面模擬了器官的微環(huán)境。這反映了人體組織的結(jié)構(gòu)和功能特征，并可以預測對包括藥物反應(yīng)和環(huán)境影響在內(nèi)的一系列刺激的反應(yīng)。OOAC在精準醫(yī)學和生物防御策略中有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了OOAC的概念，并從不同器官的角度綜述了OOAC在生理模型構(gòu)建、藥物開發(fā)、毒理學等方面的應(yīng)用。我們進一步討論了存在的挑戰(zhàn)，并對其應(yīng)用提供了未來的展望。

背景

微流體學是一門精確操縱和處理微尺度流體的科學技術(shù)。它通常用于精確控制微流控(10?9到10?18 L)流體，使用的通道大小從幾十微米到幾百微米，被稱為“芯片實驗室”。微通道很小，但具有較大的表面積和高傳質(zhì)能力，有利于其在微流控技術(shù)應(yīng)用中的應(yīng)用，包括試劑使用量低、體積可控、混合速度快、響應(yīng)快以及物理化學性質(zhì)的精確控制。微流控集樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測和細胞培養(yǎng)、分選和細胞裂解等基本操作單元于一體，出于這些原因，人們對OOAC的興趣增強了。OOAC結(jié)合了一系  列化學、生物和材料科學學科，并被世界經(jīng)濟論壇選為“十大新興技術(shù)”之一。
OOAC是一種仿生系統(tǒng)，可以模擬生理器官的環(huán)境，具有調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)的能力，包括濃度梯度、剪切力、細胞構(gòu)型、組織邊界和組織-器官相互作用。OOAC的主要目標是模擬人體器官的生理環(huán)境。
人體生理學是研究人體及其器官系統(tǒng)功能的科學。這對于我們理解人體的功能障礙和發(fā)病機制具有重要意義，因此與醫(yī)學、藥物開發(fā)和毒理學領(lǐng)域密切相關(guān)。研究人類生理學最相關(guān)和最直接的方法是研究人體或模型生物的活體實驗。身體的功能依賴于許多較低層次的組成部分的相互作用和適應(yīng)，如組織、細胞、蛋白質(zhì)和基因。因此，僅僅通過活體研究來揭示生理現(xiàn)象的潛在機制是具有挑戰(zhàn)性的。此外，藥物開發(fā)和毒理學需要評估數(shù)千種化合物的生理效應(yīng)。由于體內(nèi)測試的低通量的限制，生物學家使用體外細胞培養(yǎng)。細胞培養(yǎng)是指細胞在受控環(huán)境中的生長和維持。幾十年來，傳統(tǒng)的二維(2D)細胞培養(yǎng)系統(tǒng)形成了生命科學研究的重要平臺。利用2D系統(tǒng)，通過培養(yǎng)細胞或細胞產(chǎn)品來研究各種細胞的功能。然而，2D系統(tǒng)不能準確地模擬活體組織/器官、器官內(nèi)相互作用和微環(huán)境因素的生理表現(xiàn)，通常需要在活體動物模型中進行驗證。由于物種差異，動物實驗往往無法復制人體實驗，而且由于高昂的成本和倫問題，使用動物作為藥物測試的模型受到了審查。在臨床前試驗中，對人體組織環(huán)境的不充分描述可能導致對整體組織功能的綜合影響的不準確預測。OOAC旨在通過提供更多生理模型系統(tǒng)來克服這些缺點。OOAC被認為是未來實驗動物模型的替代技術(shù)。
本文介紹了OOAC技術(shù)的最新進展，并對其在細胞生物學評價中的應(yīng)用前景進行了討論。

器官芯片的設(shè)計理念和關(guān)鍵部件

設(shè)計理念

培養(yǎng)系統(tǒng)需要控制細胞內(nèi)外環(huán)境。OOAC與微加工和細胞生物學相結(jié)合，可以控制外部參數(shù)并準確模擬生理環(huán)境。芯片上需要動態(tài)機械應(yīng)力、流體剪切和濃度梯度。細胞圖案化也應(yīng)該實現(xiàn)，以充分反映生理過程。

流體剪切力
      微流體可以通過微泵灌流實現(xiàn)細胞的動態(tài)培養(yǎng)，這有助于營養(yǎng)物質(zhì)的管理和廢物的及時排放。細胞所處的動態(tài)環(huán)境比靜態(tài)培養(yǎng)更接近體內(nèi)條件。此外，流體剪應(yīng)力還會引起器官的極性。重要的是，OOAC通過激活細胞表面分子和相關(guān)的信號級聯(lián)，對內(nèi)皮細胞的正常生物功能施加必要的物理壓力。同樣，在OOAC設(shè)備中加入液體可以在單個器官層面進行生物學評估。OOAC系統(tǒng)總結(jié)了通過芯片上簡單的“搖桿”流體運動，或通過更復雜的可編程的“脈動”格式的流動，為組織特定的配置安排在單個循環(huán)中。

濃度梯度
      在微觀尺度上，流體主要以層流形式流動，導致生化分子的穩(wěn)定梯度，在空間和時間上都受到控制。由濃度梯度驅(qū)動的各種生化信號存在于生物現(xiàn)象中，包括血管生成、侵襲和遷移。微流體通過微閥和微泵改變流量和通道幾何形狀，模擬人體內(nèi)復雜的生理過程，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的三維生化濃度梯度。

動態(tài)機械應(yīng)力

正常的日常器官壓力包括血壓、肺壓和骨壓。這些壓力在維持骨骼肌、骨骼、軟骨和血管等機械應(yīng)力組織方面發(fā)揮著重要作用。微流體使彈性多孔膜能夠產(chǎn)生周期性的機械應(yīng)力。這種機械刺激被認為是生理過程中分化的關(guān)鍵決定因素。

細胞構(gòu)圖
       人體的組織需要復雜有序的多個細胞的排列，以形成一個功能完整的全身相互作用。微流體控制細胞構(gòu)型，用于構(gòu)建復雜幾何結(jié)構(gòu)的體外生理模型。表面修飾、模板和3D打印有助于芯片上的單元圖案化。3D打印方法允許形成具有復雜通道的水凝膠支架，從而實現(xiàn)多尺度細胞圖案化。3D打印的優(yōu)勢是允許用戶定義的數(shù)字面具提供細胞圖案的多功能性，這對于體外重建細胞微環(huán)境至關(guān)重要。Li等人。開發(fā)了使用受控的拓撲操作在玻璃芯片上實現(xiàn)快速異型細胞圖案化的方法。這種方法在一塊玻璃芯片上結(jié)合了聚醋酸乙烯酯涂層、二氧化碳激光消融和連續(xù)細胞種子技術(shù)。這種方法可以實現(xiàn)受控的上皮-間充質(zhì)相互作用。此外，具有類似特性的間充質(zhì)細胞也可以在玻璃片上圖案化。該方法可用于皮膚上皮-間充質(zhì)相互作用的大規(guī)模研究和藥物檢測，也可用于其他細胞的圖案化。

關(guān)鍵組件
       OOAC涉及四個關(guān)鍵組成部分，包括(1)微流體；(2)活細胞組織；(3)刺激或藥物輸送；以及(4)傳感器。微流控部件是指使用微流控將靶細胞輸送到預先指定的位置，并且包括在培養(yǎng)過程中的培養(yǎng)液輸入和廢液排放系統(tǒng)。通常，該組件的特點是小型化、集成化和自動化?；罴毎M織組件是指在2D或3D系統(tǒng)的情況下空間對準特定細胞類型的組件。3D排列通常是通過添加水凝膠等生物兼容材料來創(chuàng)建的。這些材料可以防止機械損傷，并形成立體排列。盡管與2D模型相比，3D組織結(jié)構(gòu)更準確地模擬了體內(nèi)的情況，但由于技術(shù)和成本的限制以及細胞外基質(zhì)的組裝和血管系統(tǒng)的預置和形成，器官組織中的活細胞大多仍是在2D模型中培養(yǎng)的。對于某些組織，需要物理或化學信號來模擬生理微環(huán)境，從而促進微組織的成熟和功能。例如，電刺激可以幫助心肌組織成熟。不同的信號刺激可用于藥物篩選方法，用于檢測和編譯數(shù)據(jù)的傳感組件可以是嵌入式傳感輸出組件或基于透明芯片的視覺功能評估系統(tǒng)。使用自動化系統(tǒng)對多細胞OOAC進行成像，產(chǎn)生詳細的細胞表型和用于測量的統(tǒng)計模型。凱恩等人。開發(fā)了一種在3D微流體環(huán)境中監(jiān)測細胞的細胞系統(tǒng)。這些檢測以延時成像顯微鏡為特色，通過質(zhì)量控制來評估細胞的電活動。一個有意義的芯片上人細胞模型，如果沒有微型傳感器對系統(tǒng)中特征點的代謝狀態(tài)的讀取，就無法描述和訪問。

新興的OOAC技術(shù)

肝臟OOAC
       肝臟系統(tǒng)是藥物/毒素代謝的主要部位。肝臟由一系列復雜的肝小葉組成，這些小葉提供多細胞功能通訊。在較長的時間內(nèi)維持肝細胞的生理學是具有挑戰(zhàn)性的。凱恩等人設(shè)計了第一個基于肝臟的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微流控微孔組成，其中3T3-J2成纖維細胞和大鼠肝細胞共培養(yǎng)以模擬呼吸道界面(圖1)。在芯片中培養(yǎng)的大鼠肝細胞可以持續(xù)穩(wěn)定地合成白蛋白并進行代謝。Lee等人設(shè)計了一種反映內(nèi)皮細胞和培養(yǎng)的原代肝細胞間質(zhì)結(jié)構(gòu)的芯片，在縫隙外灌入培養(yǎng)液。這種可滲透的內(nèi)皮間隙將以索狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的肝細胞隔開，允許它們與外部血竇區(qū)域分離，同時保持有效的物質(zhì)交換。Ho等人使用電泳法產(chǎn)生的徑向電場梯度將細胞圖案化到圓形聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片上。這些新技術(shù)模擬了肝臟小葉的結(jié)構(gòu)。Hegde等人制作了一個2層芯片，該芯片使用多孔的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜分離通道，并通過上腔將膠原和纖維連接蛋白磨碎的大鼠原代肝細胞連續(xù)灌流到下通道中。

基于DLM的單芯片肝臟腫瘤示意圖。A：從天然肝臟制備DLM溶液；B: 設(shè)備各種組件(頂部和底部、頂部和底部微通道、PET膜、進氣口和出氣口)及其各自尺寸的3D示意圖

為了改進生理模型，微流控芯片采用了3D肝細胞培養(yǎng)技術(shù)。Ma等人制作了肝臟球體原位灌流的仿生平臺。Yum等人生產(chǎn)了研究肝細胞如何影響其他類型細胞的系統(tǒng)，高通量檢測是用來評估肝細胞藥物毒性的。Riahi等人生產(chǎn)了微流控電化學芯片免疫傳感器，用于檢測肝臟毒性過程中產(chǎn)生的生物標志物。Chong等人通過評估代謝物的產(chǎn)生和抗原提呈細胞(APC)的激活，制作了監(jiān)測藥物皮膚致敏的化驗。該系統(tǒng)具有作為藥物篩選平臺的價值，以識別產(chǎn)生全身皮膚反應(yīng)的化合物。盧等人通過將脫細胞肝基質(zhì)(DLM)與明膠甲基丙烯?；?GelMA)相結(jié)合來反映三維腫瘤微環(huán)境(TME)，開發(fā)了仿生肝腫瘤。該系統(tǒng)為未來的一系列抗癌藥理研究提供了改進的疾病模型。此外，還測試了一些疾病或受傷狀態(tài)?？档热耸褂盟麄兊南到y(tǒng)分析了乙肝病毒的病毒復制。周等人開發(fā)了一個用于模擬酒精損傷的系統(tǒng)。在代謝組學、蛋白質(zhì)組學、基因組學和表觀基因組分析中對培養(yǎng)細胞質(zhì)的進一步表征將有助于改善這些研究的功能結(jié)果。

肺器官芯片
肺內(nèi)的氣體交換由肺泡調(diào)節(jié)，肺泡在體外繁殖可能是一種挑戰(zhàn)。微流體可以通過精確的流體流動和持續(xù)的氣體交換來建立體外肺模型和肺病理。目前的研究主要集中在呼吸道機械壓力的調(diào)節(jié)、血-血屏障(BBB)和剪切力對病理生理過程的影響。哈等人制作了芯片上肺模型，使用軟光刻技術(shù)將芯片分成多個區(qū)域，這些區(qū)域由帶有細胞外基質(zhì)的10μm PDMS膜分隔。PDMS上部有肺泡上皮細胞，而下部有人肺微血管內(nèi)皮細胞，因此模擬了肺泡-毛細血管屏障。在真空下改變膜的結(jié)構(gòu)，以模擬呼吸過程中肺泡的擴張/收縮。炎癥刺激通過中性粒細胞進入系統(tǒng)，中性粒細胞被傳遞到液體通道。這通過引入白細胞介素2(IL-2)產(chǎn)生了肺水腫的病理模型。這突顯了OOAC模型在改進當前體內(nèi)分析方面的效用。

肺器官芯片：A，利用間隔的PDMS微通道，在涂有ECM的多孔柔性PDMS膜上形成了肺泡-毛細血管屏障。該裝置通過真空復制呼吸運動，導致機械拉伸和形成肺泡-毛細血管屏障；B吸入后，隔膜收縮，降低胸膜壓力。肺泡-毛細血管界面因肺泡張力而拉伸；C裝置發(fā)育：血漿暴露后，上下通道之間的多孔膜不可逆轉(zhuǎn)地結(jié)合；D PDMS穿過通道一側(cè)，然后在真空壓力下被移除。E設(shè)備的實際圖像

2015年，Stucki等人報告了一個模仿肺實質(zhì)的肺芯片。該系統(tǒng)包括一個肺泡屏障和模擬呼吸的3D循環(huán)應(yīng)變，代表了第一個模擬呼吸的彈性膜擴張模型。Blume等人制作了3D呼吸道培養(yǎng)模型，模擬了通過液體和介質(zhì)交換的肺間質(zhì)流動。這使得對上皮屏障進行更深入的生理學研究成為可能。該模型使用帶有可滲透過濾器的支架作為單個組織培養(yǎng)腔，并結(jié)合多個腔以提高集成度。在芯片肺中，在通過微流體系統(tǒng)模擬肺氣液界面和呼吸擴張的同時，可以對肺泡和連接的毛細血管施加壓力，提供剪切流分布。這逼真地模擬了肺部環(huán)境。Humayun等人在水凝膠膜的不同側(cè)培養(yǎng)呼吸道上皮細胞和平滑肌細胞，以評估其作為生理模型的適宜性。該系統(tǒng)與微環(huán)境線索和毒素暴露相結(jié)合，作為慢性肺部疾病的生理模型。Yang等人制備了聚(乳酸-乙醇酸)(PLGA)電紡納米纖維膜，作為細胞支架的芯片基質(zhì)。鑒于該系統(tǒng)的簡便性，它適用于肺腫瘤的精確治療，并強調(diào)了組織工程的方法。
      肺組織器官芯片作為植入式呼吸輔助裝置很有用。彭等人設(shè)計了肺輔助裝置(LAD)，允許早產(chǎn)兒在呼吸衰竭期間在胎盤中進行額外的氣體交換。在臍動脈和靜脈中實現(xiàn)了大口徑通道的概念，為LAD提供了高水平的體外血流。這增加了效用，因為臍血管擴張閾值的臨床試驗是不道德的。這項研究首次系統(tǒng)地量化了導管擴張對臍帶血管的損害。Dabaghi等人采用雙面送氣方式對微流控血液氧合器進行了微細加工，以改善氣體交換。與單面裝置相比，攝氧量增加到343%。Xu等人使用微流控芯片平臺模擬肺癌細胞系和原代癌細胞的微環(huán)境，并測試不同的化療藥物。最近的另一項研究在“芯片上的小氣道”模型中模擬哮喘。利用人類哮喘和慢性阻塞性肺疾病的呼吸道模型，測試了治療方法，并概括了芯片模型對類似治療的體內(nèi)反應(yīng)。

腎臟OOAC
      腎臟負責維持藥物的滲透壓排泄。腎毒性導致不可逆轉(zhuǎn)的腎濾過喪失，凸顯了藥物篩選系統(tǒng)的必要性。濾過和重吸收發(fā)生在由腎小球、腎被膜和腎小管組成的腎單位。微流體可以模擬支持腎小管細胞生長的流體環(huán)境，并為維持細胞極性提供多孔膜支持。
Jang等人制造了第一個多層微流控系統(tǒng)(圖3A)，其中使用小鼠腎臟髓質(zhì)集合管細胞來模擬腎濾過。該裝置提供了一個仿生環(huán)境，通過促進細胞骨架重組和分子運輸來響應(yīng)激素刺激，增強內(nèi)髓集合管的極性。2013年，同樣的微流控設(shè)備被用于培養(yǎng)人的原代腎上皮細胞。這是對原代腎臟細胞的第一次毒性研究。該設(shè)備能夠以傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)或動物模型所不可能的方式，直接可視化和定量分析完整腎小管的各種生物學過程，并可能被證明有助于研究腎臟功能和疾病的基本分子機制。

A:腎小管芯片。PDMS通道、多孔膜和PDMS儲存庫的夾層組裝B通道可以復制腎小球的尿腔和毛細血管腔。多孔柔性PDMS膜可以用來功能化蛋白層粘連蛋白，以模擬腎小球基底膜?？梢酝ㄟ^對柔性PDMS膜的真空拉伸來產(chǎn)生對細胞層的循環(huán)機械壓力

傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)系統(tǒng)的缺點是，細胞分化為功能細胞需要延長培養(yǎng)時間和外部信號檢測系統(tǒng)，Musah等人描述了在器官培養(yǎng)設(shè)備中誘導多能干細胞來源的足細胞形成人腎小球芯片(圖3B)的方法。這些模擬了腎小球毛細血管壁的結(jié)構(gòu)和功能，這是以前使用的方法不可能做到的。該芯片適用于腎毒性評估、治療開發(fā)、再生醫(yī)學以及腎臟開發(fā)和疾病。Sakolish等人在人體近端小管和腎小球中制造了一種可重復使用的微流控芯片，使腎上皮細胞能夠在各種條件下生長。剪切力會引起腎毒性。Schutgen等人設(shè)計了穩(wěn)定的小管培養(yǎng)系統(tǒng)，允許擴展擴張和人體腎組織分析?；谠撓到y(tǒng)，開發(fā)了一個多用途的原代腎上皮細胞培養(yǎng)模型，使快速和個性化的分子和細胞分析、疾病建模和藥物篩選成為可能。陶等人]提出了一種從人誘導的多能干細胞中產(chǎn)生人胰島類器官的有效策略。該策略適用于以干細胞為基礎(chǔ)的有機工程和再生醫(yī)學的一系列應(yīng)用。

心臟器官芯片
       心血管死亡是人類死亡的主要原因。微流體的出現(xiàn)使心臟組織的體外仿生研究成為可能。心肌是心臟的主要組成部分。心肌細胞(CM)的搏動可用于直接評估藥物效果，并與心臟搏動直接相關(guān)。2012年，Grosberg等人用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成具有表面紋理的彈性膜，并將新生大鼠CMS植入膜上形成肌膜。隨著CMS的收縮，肌肉膜向一側(cè)卷曲。通過測量這種卷曲的程度，可以分析PDMS膜上細胞收縮能力的大小的差異。該實驗系統(tǒng)既適用于單一肌膜的檢測，也適用于高通量的自動化多平板檢測。隨后，在2013年，張等人利用水凝膠在PDMS模型中制備自組裝心肌片。CMS來源于分化后的心肌。微器官組織芯片是從3D打印技術(shù)中生產(chǎn)出來的，它允許心肌和血管系統(tǒng)的整合。該模型利用血管內(nèi)皮細胞形成血管網(wǎng)絡(luò)，并在血管網(wǎng)絡(luò)縫隙中加入CMS。該器官芯片為心血管相關(guān)藥物提供了一個篩選平臺。

張等人介紹了一種使用高速阻抗檢測來評估心臟藥物療效的單芯片心臟裝置。該設(shè)備記錄CMS的收縮，以揭示藥物效應(yīng)。該芯片代表了對藥物心臟療效的臨床前評估。Marsano等人建立了模擬CMS生理和機械環(huán)境的心臟器官平臺(圖4)。直接進行可視化和定量分析，這在傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)或動物模型中是不允許的。該平臺代表了該領(lǐng)域的進步，并提供了標準的功能3D心臟模型。這使該設(shè)備成為一個創(chuàng)新和低成本的篩選平臺，以提高體外模型的預測能力。施耐德設(shè)計了方便高效的芯片，可以在受控環(huán)境中基于人類誘導的多能干細胞生成心臟組織。在延長的時間內(nèi)維持心肌組織的活性和功能，并對詳細的時空脈動動力學進行光學檢測。該平臺可用于各種生物醫(yī)學應(yīng)用。此外，Tzatzalos等人報告稱，HiPSC-CMS可代表健康和疾病特異性CMS評估擴張型心肌病藥物療效的無限潛力。藥物開發(fā)方面的這些進展對心血管組織具有重要影響，因為心臟毒性經(jīng)常出現(xiàn)在藥物試驗中，這是臨床試驗暫?；蛩幬锿顺鍪袌龅闹饕蛑?。

3D心臟器官芯片，采用兩個獨立的PDMS微室。CM位于中央通道中以形成3D構(gòu)造，而介質(zhì)通過側(cè)通道被替換；B：隔室的下端被加壓以使PDMS膜變形并壓縮3D結(jié)構(gòu)。壓縮被轉(zhuǎn)化為施加到3D單元結(jié)構(gòu)上的單軸應(yīng)變；C:PDMS層被對準并不可逆地結(jié)合。培養(yǎng)腔中存在上層，驅(qū)動腔代表下層；D:3D插圖；E: 真實芯片；F:芯片橫截面的掃描電鏡圖像

腸道器官芯片
      口服藥物必須橫穿小腸才能進入血液，絨毛是吸收的關(guān)鍵，它們的形態(tài)必須在芯片上保持。Imura等人開發(fā)了模擬腸道系統(tǒng)的芯片，由玻璃玻片透膜和含有通道的PDMS片組成。在芯片上培養(yǎng)Caco-2細胞。Sung等人制造了第一個模擬人類腸道絨毛的3D水凝膠結(jié)構(gòu)。Kim等人生產(chǎn)的仿生設(shè)備(圖5)，通過剪切力和循環(huán)應(yīng)變重建腸道微環(huán)境。Caco-2細胞表現(xiàn)出較長的生長時間，并保持了人體腸道中的微生物菌群。腸道的復雜結(jié)構(gòu)和生理學為藥物篩選以及腸道微生物群、炎細胞和蠕動相關(guān)的機械變形在腸道疾病中的作用提供了一個平臺。該設(shè)備允許探索腸道疾病的病因，并確定治療目標和藥物。這項研究展示了芯片上的腸在針對腸道細胞的個性化藥物研究中的潛力。

A：芯片上腸道設(shè)備的插圖；B: 該設(shè)備由透明的PDMS彈性體組成的圖像；C: 通道的橫斷面圖和顯示多孔膜頂視圖的正方形插圖；D: 芯片上培養(yǎng)的腸道單層示意圖(上圖和相襯圖像(下圖)加(左)或減(右)機械應(yīng)變(30%)；箭頭指示方向)。E: 壓力定量

腸細胞單獨培養(yǎng)或與包括HUVECs在內(nèi)的內(nèi)皮細胞培養(yǎng),基因組的保真度很低，所以芯片模仿了腸道功能。Kasendral等人結(jié)合腸道組織工程和OOAC技術(shù)建立人十二指腸的體外生物學模型。培養(yǎng)在芯片中的腸上皮細胞來自內(nèi)窺鏡活檢或器官切除。這個芯片代表了最接近真實的十二指腸的模型，并復制了小腸的關(guān)鍵特征。最近的發(fā)現(xiàn)加強了我們對腸道微生物組和腸道形態(tài)的了解。

多器官芯片
      一系列的生理途徑需要持續(xù)的介質(zhì)循環(huán)和組織間的相互作用，單一器官芯片不能充分反映器官功能的復雜性、功能變化和完整性。“多器官芯片”，也被稱為“人體芯片”同時構(gòu)建了多個器官，引起了明顯的研究關(guān)注。多器官芯片上同時培養(yǎng)不同器官和組織的細胞，這些細胞通過通道(仿生血管)連接起來，實現(xiàn)多器官整合，允許檢查相互作用以建立系統(tǒng)。這些方法可分為靜態(tài)、半靜態(tài)和隨機方法。靜止的多個器官被集成到單個連接的設(shè)備中。在半靜態(tài)系統(tǒng)中，器官通過流體網(wǎng)絡(luò)與基于Transwell?的組織嵌入物連接。在靈活的系統(tǒng)中，各個特定器官的平臺使用靈活的微通道相互連接。在這樣的系統(tǒng)中，靈活的機制是有利的，并且重建了多個器官。雖然多器官芯片的概念還處于起步階段，但已經(jīng)取得了重大突破，包括兩個器官、三個器官、四個器官和十器官芯片的設(shè)計。

2010年，Van等人是第一個在微流控裝置中將肝臟和腸道結(jié)合在一起的人。腸和肝臟切片在芯片上發(fā)揮作用，并展示了其對器官相互作用的適用性，包括調(diào)節(jié)膽汁酸合成。這一系統(tǒng)使體外研究成為可能，并為器官之間的相互作用提供了觀察點。自那以后，更多的器官被集中在單個芯片上。器官芯片需要保持穩(wěn)定的液體連接，避免細菌污染，并在整個培養(yǎng)過程中監(jiān)控細胞活性。隨著芯片上器官數(shù)量的增加，系統(tǒng)的復雜性也會增強，不可避免地會導致不可預測的結(jié)果。簡化現(xiàn)有系統(tǒng)對于實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用至關(guān)重要。Lee等人制造的無泵、用戶友好的單芯片多器官，易于組裝和操作。Satoh等人報道了一種在微板大小的氣動壓力驅(qū)動介質(zhì)循環(huán)平臺上形成的多吞吐量多器官芯片系統(tǒng)(圖6)。該系統(tǒng)具有多個多器官培養(yǎng)單元同時運行、微流控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計靈活、移液管友好的液體處理界面、適用于微孔板中廣泛使用的實驗方案和分析方法等優(yōu)點。這一多器官培養(yǎng)平臺將成為藥物發(fā)現(xiàn)的有利研究工具。

A: 多通道多器官平板系統(tǒng)；B: 包含4?×?4培養(yǎng)腔的培養(yǎng)裝置的投影，通過X-X‘截面的培養(yǎng)腔顯示；C: 用于8通道2器官系統(tǒng)和4通道4器官系統(tǒng)的微流控平板中的微流體網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。八通道雙器官系統(tǒng)和四通量四器官系統(tǒng)微流控板內(nèi)微流控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。閉合圓圈表示通向微流控板頂表面的孔的位置。暗區(qū)和淺陰區(qū)分別為深部和淺部微流控通道。綠線環(huán)繞的區(qū)域代表流通文化單位。藍色線條表示文化室的墻壁。出口周圍的紅色細線表示拉普拉斯閥門。D: 在雙器官系統(tǒng)中利用氣動壓力進行三維介質(zhì)循環(huán)。紅色箭頭表示媒體流的方向

OOAC的持續(xù)發(fā)展依賴于設(shè)計、建模、可制造性和可用性方面的進步。Lantada發(fā)明了激光技術(shù)的創(chuàng)新組合。對人類間充質(zhì)干細胞的評估證實了該技術(shù)的有效性，生成的芯片是透明的，便于成像程序。這種技術(shù)對大規(guī)模生產(chǎn)的芯片有益，并對能源、交通和航空航天行業(yè)具有實用價值。

干細胞工程
      生物組織的來源是OOAC設(shè)計中最重要的參數(shù)之一。干細胞無需組織活檢即可從人體中提取，根據(jù)定義，干細胞是任何能夠自我更新并具有分化為一種或多種特化細胞類型的細胞。最常見的類型包括胚胎干細胞(ESCs)、誘導多能干細胞(IPSCs)和成體干細胞(ASCs)。這些細胞可以作為OOAC的生物組織來源。最常見的人類ASCs是間充質(zhì)干細胞(MSCs)，它是從成人組織中提取的多能干細胞[126]。骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)通常來自骨髓或脂肪組織，由于它們易于從組織活檢中提取，因此成為一個有吸引力的選擇。由于其有限的分化能力，缺乏一致的衍生方案和明確的生物學反應(yīng)，骨髓間充質(zhì)干細胞在OOAC模型中的應(yīng)用不如其多潛能的同類細胞。人類胚胎干細胞來源于胚泡或胚胎的內(nèi)部細胞。

根據(jù)來源，它們的功能并不是單一的，并從三個胚層中的任何一個分化為任何類型的成體細胞。然而，人類胚胎干細胞必須來自人類胚胎，這在倫理上存在爭議，進而導致法規(guī)和限制。由于圍繞胚胎干細胞的倫理爭論和生產(chǎn)大量遺傳多樣性細胞系的技術(shù)困難，將人類胚胎干細胞應(yīng)用于臨床試驗比將其用作治療藥物評估的疾病模型中的精確藥物替代品更困難。像胚胎干細胞一樣，間充質(zhì)干細胞是多能的，可以從所有三個胚層分化出來。由于IPSCs來自成人組織，而不是胚胎組織，因此它們避免了與ESCs相關(guān)的倫理問題。在相同遺傳背景的細胞中，ESCs和IPSCs在基因表達水平、表面標記表達和形態(tài)方面沒有顯著差異。除了繞過倫理爭議，IPSCs相對于ESCs的另一個優(yōu)勢是，它們可以從已知疾病表型的捐贈者那里獲得，這可以用于特定患者的疾病模型和藥物篩選。

器官芯片(OOAC)設(shè)備的組織來源

與細胞系和原代細胞一樣，胚胎干細胞(ESCs)、誘導多能干細胞(IPSCs)和成體干細胞(ASCs)可以分化并整合到微流控芯片中。該圖顯示了OOC設(shè)備中ESCs、ASCs、IPSCs、原始和組織活檢以及細胞系的優(yōu)勢(白色)和局限性(黑色)。細胞系和原代細胞在卵母細胞中更為常見，因為它們通常表現(xiàn)出良好的生物反應(yīng)特性。然而，細胞系不能代表正常的生理條件，原代細胞培養(yǎng)時間有限，質(zhì)量不穩(wěn)定。相比之下，干細胞很容易獲得，是一個無限的細胞來源。即使目前在分化和成熟方案方面存在限制，干細胞仍然是一項很有前途的技術(shù)，可以被整合到OOC設(shè)備中。

因為干細胞比許多原始細胞類型和組織活檢更容易獲得，而且它們比其他細胞系更具生理學代表性，很可能成為未來OOAC的主要組織來源(圖8)。繼續(xù)研究干細胞在芯片上分化為功能器官模型的方法將有助于干細胞方法的改進和OOAC技術(shù)的進步。

干細胞研究的未來趨勢，A: 系列組織，B：芯片上器官技術(shù)可以模擬體內(nèi)的真實狀態(tài)

結(jié)論和未來展望

我們回顧了OOAC技術(shù)的最新進展。微流控芯片為OOAC的發(fā)展提供了良好的支持。它的發(fā)展引起了世界范圍內(nèi)的研究關(guān)注，并取得了巨大的科學進步。已經(jīng)設(shè)計和制備了大量的OOAC。人們已經(jīng)研究了一系列人體器官。OOAC的最終目標是將眾多器官集成到一塊芯片中，并構(gòu)建更復雜的多器官芯片模型，最終實現(xiàn)人體芯片。
盡管OOAC技術(shù)發(fā)展迅速，但人體芯片的理論仍然遙不可及。PDMS是最廣泛使用的材料，但也有缺點，因為生成的膜比體內(nèi)的形態(tài)更厚。疏水小分子的吸光度降低會影響溶劑的效率和毒性。因此，有必要確定合適的替代材料。目前，制造和實驗實施的成本相對較高，不利于器官芯片的廣泛使用，因此零部件必須成本低、易于處置。更昂貴的組件應(yīng)該可以重復使用。在集成系統(tǒng)組件方面，必須減小介質(zhì)體積和連接器大小以供一般使用。在芯片上采集樣本可能會干擾其操作，導致各種代謝物的濃度發(fā)生變化。因此，需要更合適的傳感器。還需要適用于所有器官的通用細胞培養(yǎng)液。最關(guān)鍵的是，隨著芯片上器官數(shù)量的增加，功能變得更加復雜，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)帶有虛假的和不可翻譯的風險。這是目前無法解決的問題。在長期重復給藥或芯片研究的情況下，體外確定的生物標記物可能不能完全反映體內(nèi)的等效性。

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