标签: 微流控

BEOnChip是西班牙的一家专注于微流控技术领域的公司，主要生产或定制微流控芯片。2021年7月，点成生物与BEOnChip正式达成战略合作协议，成为BEOnChip芯片的官方授权代理商。目前，BEOnChip开发4款标准微流控芯片：BE-GRANDIENT、BE-FLOW、BE-DOUBLEFLOW和BE-TRANSFLOW。本文总结了BEOnChip微流控芯片的六大突出优势，以便使用者更好地了解BEOnChip芯片。 1. 良好的生物相容性 BEOnChip芯片由COP(环烯烃聚合物)材质制成，该材料具有良好的生物相容性，可与活细胞、组织、器官相容，不会对细胞造成损伤，无毒性，且没有被免疫系统排斥的风险。 2. 出色的光学特性 COP具有出色的光学特性，在可见光和近紫外范围内具有高透明度、低双折射、高阿贝数，这种材料是应用于显微镜的理想选择。 3. 良好的耐化学性和耐热性 BEOnChip芯片具有出色的耐化学性，可抵抗酸甚至是极性溶剂，可采用湿法蚀刻等技术生产，易于使用酒精清洁和消毒。另外，该芯片的玻璃转化温度可高达180℃，有助于传感器集成与表面功能化。 4. 无非选择性吸附 与目前实验室与商业平台广泛使用的PDMS材料存在的非选择性吸附疏水性药物的缺点不同，COP具有无非选择性吸附的特性，这样的特性有助于药物准确输送和确保实验结果的准确性。 5. 易于使用 1）无气泡&易操作 BEOnChip芯片采用专利进气口设计，可以在管路中不产生气泡的情况下拧紧连接器，芯片独特的侧壁设计便于使用者在不接触仓的情况下进行操作。 2）与显微镜兼容 BEOnChip芯片尺寸大小与标准载玻片一致，观察位置与96孔板的位置匹配，此外，该芯片与任何类型的光学显微镜兼容，如明场、荧光、共聚焦显微镜等，便于使用者观察。 3）与微流控系统兼容 BEOnChip芯片与任何微流控系统兼容，使用者可以借助简单的连接套件将芯片与自己的微流控系统连接在一起使用。 6. 功能多样 1）细胞播种、包被、回收 使用者可以利用BEOnChip芯片进行2D、3D细胞培养或2D、3D细胞共培养，利用该芯片可以在体外建立一系列生理器官模型并进行后续研究，处理完成后的细胞也可以回收以进行下游分析。 2）互联互通 BEOnChip芯片间可相互连接。因此，利用芯片间的组合使用者可以轻松地创建复杂培养模型或者进行不同组织之间的串扰研究。 3）定制化 除了标准化芯片，BEOnChip芯片还提供定制化服务，客户可根据需要对细胞培养通道的容积、芯片基底、芯片隔膜孔径等进行定制。

血流剪切应力，是 血流与血管壁摩擦产生的平行与管壁表面的切线应力 。其大小取决于血液浓度、血流量及血管内径。 内皮细胞（EC）紧密排列在 血管的管壁表面 ，它们时刻受着血流剪切应力的影响，并根据其在血管中不同位置对血流剪切应力作出不同基因表达反应。脉动剪切应力 （PS） 多存在于 层流 中，主要位于 直向血管区域 ，而涡旋扰动或振荡剪切应力 （OS） 则多出现于 血管分支口或弯曲处 。 在动脉分支口或者弯曲处，血流由稳定的层流变为涡流或振荡流，剪切应力明显降低且方向改变。内皮功能障碍的局灶性分布对应于OS存在的区域，而内皮正常稳态则维持在PS存在的区域中，所以动脉粥样硬化多发生于动脉分支口处、动脉弯曲及狭窄处，这些研究已成为血管疾病（如动脉粥样硬化）的研究重点。 血流剪切应力是造成动脉粥样硬化病变非随机灶性分布的主要因素 ，许多研究显示血流剪切应力通过调控内皮细胞的基因表型来影响血管内皮结构与功能，从而影响动脉粥样硬化病变的发展。 有研究发现，在动脉血管分支处或者弯曲处这些好发动脉粥样硬化部位的剪切应力一般为 4dyne/cm^2 ，而不好发动脉粥样硬化部位的剪切应力通常大于 12dyne/cm^2 。 15dyne/cm^2）作用下， 血管内皮细胞排列成梭形且其长轴与血流方向一致 ；当血流剪切应力较低（<4dyne/cm^2）的情况下， 内皮细胞则会呈现排列不规则的多角型，分泌内皮素、炎症介质等因子，使内皮细胞损伤，呈现动脉粥样硬化表型 。 还有许多研究表明，内皮细胞会对局部机械信号（如剪切应力）作出反应，并与源自整个生物体的生理刺激协同作用。血管和亚血管区域协调细胞反应的现象，涉及许多疾病研究，例如肺动脉高压，阿尔茨海默病，血管性痴呆和胰腺癌等。 现代医学、生物学对于血流剪切应力的研究多借助了微流体技术，在器官芯片中模拟血管，通过微流控系统控制液体流速等因素来研究剪切应力对于细胞表达的作用。 下图显示的是通过ExiGo泵和生物芯片组成的微流控系统来模拟血管中的脉动剪切应力： 1、首先，将注射器装入ExiGo泵中。注射器规格可选范围从100微升到5毫升。 2、然后，ExiGo泵可以通过其控制软件SmartFlo软件进行控制。可以在电脑软件上自定义剪切应力和流速模式并自动执行流动过程，还可以实时监测流体情况。 3、接下来，注射器中的样品会通过流量传感器输送，该传感器将检测剪切应力和流速情况，并可根据实验实际需求进行调整。 4、样品之后会通过微流体芯片（器官芯片），在芯片里样品可以在内皮细胞上流动作用。流动模式可选，例如振荡流动模式、匀速流动等。 5、芯片之后需连接一个储液容器，用来收集从微流体芯片流出的废液。 6、当注射器中的样品液排空时，泵会通过连接到培养基容器的歧管器切换阀门并从储液瓶中抽取补充样品溶液。这可以扩展注射器的容量，并可长时间地连续进行实验。

血流剪切应力，是 血流与血管壁摩擦产生的平行与管壁表面的切线应力 。其大小取决于血液浓度、血流量及血管内径。 内皮细胞（EC）紧密排列在 血管的管壁表面 ，它们时刻受着血流剪切应力的影响，并根据其在血管中不同位置对血流剪切应力作出不同基因表达反应。脉动剪切应力 （PS） 多存在于 层流 中，主要位于 直向血管区域 ，而涡旋扰动或振荡剪切应力 （OS） 则多出现于 血管分支口或弯曲处 。 在动脉分支口或者弯曲处，血流由稳定的层流变为涡流或振荡流，剪切应力明显降低且方向改变。内皮功能障碍的局灶性分布对应于OS存在的区域，而内皮正常稳态则维持在PS存在的区域中，所以动脉粥样硬化多发生于动脉分支口处、动脉弯曲及狭窄处，这些研究已成为血管疾病（如动脉粥样硬化）的研究重点。 血流剪切应力是造成动脉粥样硬化病变非随机灶性分布的主要因素 ，许多研究显示血流剪切应力通过调控内皮细胞的基因表型来影响血管内皮结构与功能，从而影响动脉粥样硬化病变的发展。 有研究发现，在动脉血管分支处或者弯曲处这些好发动脉粥样硬化部位的剪切应力一般为 4dyne/cm^2 ，而不好发动脉粥样硬化部位的剪切应力通常大于 12dyne/cm^2 。 15dyne/cm^2）作用下， 血管内皮细胞排列成梭形且其长轴与血流方向一致 ；当血流剪切应力较低（<4dyne/cm^2）的情况下， 内皮细胞则会呈现排列不规则的多角型，分泌内皮素、炎症介质等因子，使内皮细胞损伤，呈现动脉粥样硬化表型 。 还有许多研究表明，内皮细胞会对局部机械信号（如剪切应力）作出反应，并与源自整个生物体的生理刺激协同作用。血管和亚血管区域协调细胞反应的现象，涉及许多疾病研究，例如肺动脉高压，阿尔茨海默病，血管性痴呆和胰腺癌等。 现代医学、生物学对于血流剪切应力的研究多借助了微流体技术，在器官芯片中模拟血管，通过微流控系统控制液体流速等因素来研究剪切应力对于细胞表达的作用。 下图显示的是通过ExiGo泵和生物芯片组成的微流控系统来模拟血管中的脉动剪切应力： 1、首先，将注射器装入ExiGo泵中。注射器规格可选范围从100微升到5毫升。 2、然后，ExiGo泵可以通过其控制软件SmartFlo软件进行控制。可以在电脑软件上自定义剪切应力和流速模式并自动执行流动过程，还可以实时监测流体情况。 3、接下来，注射器中的样品会通过流量传感器输送，该传感器将检测剪切应力和流速情况，并可根据实验实际需求进行调整。 4、样品之后会通过微流体芯片（器官芯片），在芯片里样品可以在内皮细胞上流动作用。流动模式可选，例如振荡流动模式、匀速流动等。 5、芯片之后需连接一个储液容器，用来收集从微流体芯片流出的废液。 6、当注射器中的样品液排空时，泵会通过连接到培养基容器的歧管器切换阀门并从储液瓶中抽取补充样品溶液。这可以扩展注射器的容量，并可长时间地连续进行实验。

一、微流控芯片的基本定义 微流控芯片，又称芯片实验室（Lab-on-chip），是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。 目前，主流形式的微流控芯片是指把化学和生物等领域中涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学、生物、材料、光学等不同实验室的各种功能的一种技术。 2017年，中国科技部将微流控芯片定位为一种“ 颠覆性技术 ”，而微流控芯片中的重要分支——器官芯片则被世界经济论坛评为2016年世界“ 十大新兴技术 ”之一。 点成微流控芯片实物示意图 二、微流控芯片的材料与制作 芯片的材质决定了芯片的性能，要制作微流控芯片，芯片材料需遵循以下原则： 良好的生物相容性、良好的电绝缘性和散热性、良好的光学性能、表面具有良好的可修饰性、制作工艺简单且制作成本低 。 目前，微流控芯片制作常用的材料有：单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物（PMMA、PDMS、PC、COP）等，其中以聚合物最为常见。高分子聚合物的制作技术主要包括热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、LIGA法、软刻蚀法等。 三、微流控芯片的流体驱动与检测 在微流控芯片中，流体驱动方式一般可分为两类：机械驱动方式（包括气动微泵、压电微泵、往复式微泵、离心力驱动等）和非机械驱动方式（包括电渗驱动、重力驱动等）。 与传统的检测器相比，微流控芯片对检测器的要求更加严格，这主要体现在灵敏度高、响应速度快和体积小这三个方面。在目前的微流控芯片检测技术中，光学检测法和电化学检测法应用最为广泛。 四、微流控芯片的应用 微流控芯片在现阶段主要应用在以下三个方面： 1）分析诊断 微流控芯片作为一种耗样量低、分析速度快、灵敏度高的分析平台，在即时诊断（POCT）领域具有巨大的应用潜力。微流控芯片在实现POCT产业化的应用主要集中在 以核酸分析为代表的分子诊断 和 以蛋白质分析为代表的免疫诊断 ，也包括一些 以代谢物分析为代表的生化诊断 。另外，由于细胞群体的异质性，液滴微流控芯片也被应用于单细胞分析技术中的以单个细胞为对象的研究。 2）筛选合成 对不同材料作高通量筛选 是微流控液滴芯片的重要应用领域，例如工业酶或分选不同抗生素抗性的细菌等。另外，由于液滴操控灵活，形状可变，大小均一，可被应用于材料领域，特别是高附加值微颗粒材料的合成领域。 3）器官芯片 以微流控技术为基础，和生物学相结合， 以活细胞为背景，用微工程装置形式重组的人体器官 ，可重现人体的生理和力学功能，并通过精确的控制流体流动与机械信号和组织-组织界面相结合，建立动态模型，进而实现比传统静态细胞培养更加仿真的效果。 2010年，哈佛大学Donald Ingber等在《Science》杂志上发表的肺器官芯片是一种具有代表性的器官芯片， 器官芯片是当今对哺乳动物及其微环境进行操控的重要技术平台。 微流控器官芯片有望替代小白鼠等动物模型，用于 验证候选药物、开展药物毒理和药理作用研究，实现个体化治疗 。 肺器官芯片装置 参考文献： 林炳承.器官芯片 .北京:科学出版社,2019. Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY, Ingber DE. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010 Jun 25;328(5986):1662-8. doi: 10.1126/science.1188302.

一、前言 自2019年12月新型冠状病毒（SARA-CoV-2）爆发以来，全球经济和社会遭受了巨大损失。感染新冠病毒的患者可能无症状或表现出多种症状，包括 呼吸窘迫、凝血障碍、腹痛或腹泻甚至多器官系统性损伤。 此外，病毒目前已出现了多种变异体，对全球健康造成了更大的威胁。尽管目前已经开发了几种疫苗，但一些变异体对这些疫苗的敏感性降低， 因此，迫切需要全面了解新冠肺炎的发病机制，并开发更有效的疗法。 器官芯片是一种生物工程微流体细胞培养装置，通过对流体流动、机械信号和多细胞相互作用的精确控制模拟体内细胞微环境和器官的关键功能。 通常，器官芯片模型中的细胞来源包括细胞系、原代细胞和干细胞。 器官芯片常被用于研究病毒感染，如包含原代人体肝细胞的3D肝芯片被用来研究HBV感染。 与动物模型和传统细胞培养相比，器官芯片模型对人类病理生理学的研究更加精确直观，可以为病毒感染研究提供有价值的临床前平台。 本文主要介绍器官芯片用于新冠病毒的相关研究进展，为器官芯片应用在疾病建模、药物/疫苗开发、免疫反应、病毒传播、宿主病毒相互作用、个性化治疗等方面提供启示。 二、 器官芯片在病理生理学和宿主免疫反应研究的应用 为了研究发病机制并开发有效疗法，研究人员开发了多种器官芯片来探究人类对新冠病毒感染的生理和病理反应。 如利用肺芯片可以模拟天然新冠病毒的肺泡感染并评估抗病毒化合物的功效。 通过在流体流动下对肺泡上皮细胞、微血管内皮细胞和循环免疫细胞进行三重培养，这种肺芯片可以重建人类肺泡-毛细血管屏障的关键特征。在肺泡通道接种新冠病毒颗粒后，人肺上皮细胞对病毒感染的敏感性高于内皮细胞。 利用肺芯片研究SARS-CoV-2诱导的组织损伤和免疫反应 另外，肠道芯片也可以用于探索新冠肺炎引起的肠道反应。 流体流动或机械信号对细胞分化、功能和绒毛结构形成有重要影响，这在肠道中很关键。流动条件下模拟肠道病毒感染的芯片模型具备其他体外模型不能实现的优势。 如图展示了一种 人肠道新冠病毒感染芯片模型 ，该模型解释了新冠病毒诱导的肠道损伤和免疫反应。利用这个模型，研究者验证了肠上皮是病毒感染的潜在入口，并显示出病毒诱导的屏障损伤，包括破坏的肠绒毛结构和内皮连接。此外，有研究揭示了肠道菌群在新冠病毒感染中的潜在抗病毒能力和治疗价值，未来将肠道微生物与器官芯片结合将有助于研究它们在新冠病毒感染中的功能。 在流动条件下，通过在多层通道中共培养肠上皮细胞、内皮细胞和免疫细胞，构建了仿生人类肠道芯片 三、 器官芯片在药物评价与筛选中的应用 目前，药物测试在很大程度上依赖于动物模型和单层细胞培养，但它们往往不能准确地预测人类对药物的反应。 器官芯片可以作为疾病模型反映宿主细胞对病毒的反应，从而在快速筛选新药中发挥作用。 在被新冠病毒感染的肺芯片中，对瑞德西韦（remdesivir）的疗效进行了评估，结果表明其会抑制病毒复制和缓解肺泡屏障损坏。另一种感染新冠病毒的肺泡芯片表明，妥珠单抗（tocilizumab）通过减少炎症反应而不是抑制病毒复制来减缓屏障完整性的丧失。 此外，在感染新冠病毒的支气管芯片模型中，已批准药物（如阿莫地喹和托瑞米芬）可以作为潜在的病毒入侵抑制剂。人体器官芯片在筛选潜在药物上可以作为动物模型的可行替代品。 四、 总结与讨论 本文分享了 器官芯片在新型冠状病毒病理生理学及药物筛选评价中的相关研究进展。 新冠肺炎是一种全身性疾病，涉及新冠病毒感染和在肺、肝、脑、血管、肾和肠等多个器官中的增殖。 因此，我们需要开发更复杂的系统来探索不同器官和病毒之间的相互作用。多器官芯片可以以相互联系的方式概括器官-器官串扰并模拟对感染的全身反应，加速药物开发与精准医疗的进程。 满足病毒学研究需要的下一代人体器官模型示意图 未来，器官芯片还将与更多技术（如在线生物传感器、3D打印、基因编辑、多组学等）结合，来创建更复杂的器官模型，这些器官模型将揭示病原体传播的特征，并为系统反应分析、个性化医疗以及新药和疫苗开发提供新的机会。 参考文献：Wang Y, Wang P, Qin J. Human Organoids and Organs-on-Chips for Addressing COVID-19 Challenges. Adv Sci (Weinh). 2022 Apr;9(10):e2105187. doi: 10.1002/advs.202105187. 注：本文内容出自参考文献，仅供分享交流使用