原创 器官芯片：近期突破和未来展望

摘要

芯片器官(OOAC)是十大新兴技术之一，指的是建立在微流控芯片上的生理器官仿生系统。通过细胞生物学、工程学和生物材料技术的结合，芯片的微环境在组织界面和机械刺激方面模拟了器官的微环境。这反映了人体组织的结构和功能特征，并可以预测对包括药物反应和环境影响在内的一系列刺激的反应。OOAC在精准医学和生物防御策略中有着广泛的应用。本文介绍了OOAC的概念，并从不同器官的角度综述了OOAC在生理模型构建、药物开发、毒理学等方面的应用。我们进一步讨论了存在的挑战，并对其应用提供了未来的展望。

背景

微流体学是一门精确操纵和处理微尺度流体的科学技术。它通常用于精确控制微流控(10−9到10−18 L)流体，使用的通道大小从几十微米到几百微米，被称为“芯片实验室”。微通道很小，但具有较大的表面积和高传质能力，有利于其在微流控技术应用中的应用，包括试剂使用量低、体积可控、混合速度快、响应快以及物理化学性质的精确控制。微流控集样品制备、反应、分离、检测和细胞培养、分选和细胞裂解等基本操作单元于一体，出于这些原因，人们对OOAC的兴趣增强了。OOAC结合了一系列化学、生物和材料科学学科，并被世界经济论坛选为“十大新兴技术”之一。
OOAC是一种仿生系统，可以模拟生理器官的环境，具有调节关键参数的能力，包括浓度梯度、剪切力、细胞构型、组织边界和组织-器官相互作用。OOAC的主要目标是模拟人体器官的生理环境。
人体生理学是研究人体及其器官系统功能的科学。这对于我们理解人体的功能障碍和发病机制具有重要意义，因此与医学、药物开发和毒理学领域密切相关。研究人类生理学最相关和最直接的方法是研究人体或模型生物的活体实验。身体的功能依赖于许多较低层次的组成部分的相互作用和适应，如组织、细胞、蛋白质和基因。因此，仅仅通过活体研究来揭示生理现象的潜在机制是具有挑战性的。此外，药物开发和毒理学需要评估数千种化合物的生理效应。由于体内测试的低通量的限制，生物学家使用体外细胞培养。细胞培养是指细胞在受控环境中的生长和维持。几十年来，传统的二维(2D)细胞培养系统形成了生命科学研究的重要平台。利用2D系统，通过培养细胞或细胞产品来研究各种细胞的功能。然而，2D系统不能准确地模拟活体组织/器官、器官内相互作用和微环境因素的生理表现，通常需要在活体动物模型中进行验证。由于物种差异，动物实验往往无法复制人体实验，而且由于高昂的成本和伦理问题，使用动物作为药物测试的模型受到了审查。在临床前试验中，对人体组织环境的不充分描述可能导致对整体组织功能的综合影响的不准确预测。OOAC旨在通过提供更多生理模型系统来克服这些缺点。OOAC被认为是未来实验动物模型的替代技术。
本文介绍了OOAC技术的最新进展，并对其在细胞生物学评价中的应用前景进行了讨论。

器官芯片的设计理念和关键部件

设计理念

培养系统需要控制细胞内外环境。OOAC与微加工和细胞生物学相结合，可以控制外部参数并准确模拟生理环境。芯片上需要动态机械应力、流体剪切和浓度梯度。细胞图案化也应该实现，以充分反映生理过程。

流体剪切力
微流体可以通过微泵灌流实现细胞的动态培养，这有助于营养物质的管理和废物的及时排放。细胞所处的动态环境比静态培养更接近体内条件。此外，流体剪应力还会引起器官的极性。重要的是，OOAC通过激活细胞表面分子和相关的信号级联，对内皮细胞的正常生物功能施加必要的物理压力。同样，在OOAC设备中加入液体可以在单个器官层面进行生物学评估。OOAC系统总结了通过芯片上简单的“摇杆”流体运动，或通过更复杂的可编程的“脉动”格式的流动，为组织特定的配置安排在单个循环中。

浓度梯度
在微观尺度上，流体主要以层流形式流动，导致生化分子的稳定梯度，在空间和时间上都受到控制。由浓度梯度驱动的各种生化信号存在于生物现象中，包括血管生成、侵袭和迁移。微流体通过微阀和微泵改变流量和通道几何形状，模拟人体内复杂的生理过程，从而实现稳定的三维生化浓度梯度。

动态机械应力

正常的日常器官压力包括血压、肺压和骨压。这些压力在维持骨骼肌、骨骼、软骨和血管等机械应力组织方面发挥着重要作用。微流体使弹性多孔膜能够产生周期性的机械应力。这种机械刺激被认为是生理过程中分化的关键决定因素。

细胞构图
人体的组织需要复杂有序的多个细胞的排列，以形成一个功能完整的全身相互作用。微流体控制细胞构型，用于构建复杂几何结构的体外生理模型。表面修饰、模板和3D打印有助于芯片上的单元图案化。3D打印方法允许形成具有复杂通道的水凝胶支架，从而实现多尺度细胞图案化。3D打印的优势是允许用户定义的数字面具提供细胞图案的多功能性，这对于体外重建细胞微环境至关重要。Li等人。开发了使用受控的拓扑操作在玻璃芯片上实现快速异型细胞图案化的方法。这种方法在一块玻璃芯片上结合了聚醋酸乙烯酯涂层、二氧化碳激光消融和连续细胞种子技术。这种方法可以实现受控的上皮-间充质相互作用。此外，具有类似特性的间充质细胞也可以在玻璃片上图案化。该方法可用于皮肤上皮-间充质相互作用的大规模研究和药物检测，也可用于其他细胞的图案化。

关键组件
OOAC涉及四个关键组成部分，包括(1)微流体；(2)活细胞组织；(3)刺激或药物输送；以及(4)传感器。微流控部件是指使用微流控将靶细胞输送到预先指定的位置，并且包括在培养过程中的培养液输入和废液排放系统。通常，该组件的特点是小型化、集成化和自动化。活细胞组织组件是指在2D或3D系统的情况下空间对准特定细胞类型的组件。3D排列通常是通过添加水凝胶等生物兼容材料来创建的。这些材料可以防止机械损伤，并形成立体排列。尽管与2D模型相比，3D组织结构更准确地模拟了体内的情况，但由于技术和成本的限制以及细胞外基质的组装和血管系统的预置和形成，器官组织中的活细胞大多仍是在2D模型中培养的。对于某些组织，需要物理或化学信号来模拟生理微环境，从而促进微组织的成熟和功能。例如，电刺激可以帮助心肌组织成熟。不同的信号刺激可用于药物筛选方法，用于检测和编译数据的传感组件可以是嵌入式传感输出组件或基于透明芯片的视觉功能评估系统。使用自动化系统对多细胞OOAC进行成像，产生详细的细胞表型和用于测量的统计模型。凯恩等人。开发了一种在3D微流体环境中监测细胞的细胞系统。这些检测以延时成像显微镜为特色，通过质量控制来评估细胞的电活动。一个有意义的芯片上人细胞模型，如果没有微型传感器对系统中特征点的代谢状态的读取，就无法描述和访问。

新兴的OOAC技术

肝脏OOAC
肝脏系统是药物/毒素代谢的主要部位。肝脏由一系列复杂的肝小叶组成，这些小叶提供多细胞功能通讯。在较长的时间内维持肝细胞的生理学是具有挑战性的。凯恩等人设计了第一个基于肝脏的系统，该系统由微流控微孔组成，其中3T3-J2成纤维细胞和大鼠肝细胞共培养以模拟呼吸道界面(图1)。在芯片中培养的大鼠肝细胞可以持续稳定地合成白蛋白并进行代谢。Lee等人设计了一种反映内皮细胞和培养的原代肝细胞间质结构的芯片，在缝隙外灌入培养液。这种可渗透的内皮间隙将以索状结构为基础的肝细胞隔开，允许它们与外部血窦区域分离，同时保持有效的物质交换。Ho等人使用电泳法产生的径向电场梯度将细胞图案化到圆形聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片上。这些新技术模拟了肝脏小叶的结构。Hegde等人制作了一个2层芯片，该芯片使用多孔的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜分离通道，并通过上腔将胶原和纤维连接蛋白磨碎的大鼠原代肝细胞连续灌流到下通道中。

基于DLM的单芯片肝脏肿瘤示意图。A：从天然肝脏制备DLM溶液；B: 设备各种组件(顶部和底部、顶部和底部微通道、PET膜、进气口和出气口)及其各自尺寸的3D示意图

为了改进生理模型，微流控芯片采用了3D肝细胞培养技术。Ma等人制作了肝脏球体原位灌流的仿生平台。Yum等人生产了研究肝细胞如何影响其他类型细胞的系统，高通量检测是用来评估肝细胞药物毒性的。Riahi等人生产了微流控电化学芯片免疫传感器，用于检测肝脏毒性过程中产生的生物标志物。Chong等人通过评估代谢物的产生和抗原提呈细胞(APC)的激活，制作了监测药物皮肤致敏的化验。该系统具有作为药物筛选平台的价值，以识别产生全身皮肤反应的化合物。卢等人通过将脱细胞肝基质(DLM)与明胶甲基丙烯酰基(GelMA)相结合来反映三维肿瘤微环境(TME)，开发了仿生肝肿瘤。该系统为未来的一系列抗癌药理研究提供了改进的疾病模型。此外，还测试了一些疾病或受伤状态。康等人使用他们的系统分析了乙肝病毒的病毒复制。周等人开发了一个用于模拟酒精损伤的系统。在代谢组学、蛋白质组学、基因组学和表观基因组分析中对培养细胞质的进一步表征将有助于改善这些研究的功能结果。

肺器官芯片
肺内的气体交换由肺泡调节，肺泡在体外繁殖可能是一种挑战。微流体可以通过精确的流体流动和持续的气体交换来建立体外肺模型和肺病理。目前的研究主要集中在呼吸道机械压力的调节、血-血屏障(BBB)和剪切力对病理生理过程的影响。哈等人制作了芯片上肺模型，使用软光刻技术将芯片分成多个区域，这些区域由带有细胞外基质的10μm PDMS膜分隔。PDMS上部有肺泡上皮细胞，而下部有人肺微血管内皮细胞，因此模拟了肺泡-毛细血管屏障。在真空下改变膜的结构，以模拟呼吸过程中肺泡的扩张/收缩。炎症刺激通过中性粒细胞进入系统，中性粒细胞被传递到液体通道。这通过引入白细胞介素2(IL-2)产生了肺水肿的病理模型。这突显了OOAC模型在改进当前体内分析方面的效用。

肺器官芯片：A，利用间隔的PDMS微通道，在涂有ECM的多孔柔性PDMS膜上形成了肺泡-毛细血管屏障。该装置通过真空复制呼吸运动，导致机械拉伸和形成肺泡-毛细血管屏障；B吸入后，隔膜收缩，降低胸膜压力。肺泡-毛细血管界面因肺泡张力而拉伸；C装置发育：血浆暴露后，上下通道之间的多孔膜不可逆转地结合；D PDMS穿过通道一侧，然后在真空压力下被移除。E设备的实际图像

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