关键词：器官芯片、微流控、组织工程

目前，在基础医学研究和药物研发阶段严重依赖动物模型，由于动物模型与人类存在遗传背景差异，来自动物的实验数据常常无法真实的预测人体临床实验中获得的结果，这导致新药的研发的实验周期长、失败率高和成本高等局限。因此，科学家们整积极的寻找一种能够有效的体外模型替换/补充现有的动物模型，模拟人体组织或器官的结构和功能用于基础研究和药物研发。

人体器官芯片（organ-chip）指的是一种在载玻片大小芯片上构建的器官生理微系统，包含有活体细胞、组织界面、生物流体和机械力等器官微环境关键要素，可高保真地概括器官水平的生理学和病理生理学特征。在生命科学和医学研究、新药研发、个性化医疗、毒性预测和生物防御等领域具有广泛应用前景。2015年Nature杂志发表评论，成器官芯片为未来可能替代动物试验的革命性技术，并且被 2016 年达沃斯世界经济论坛列为“十大新兴技术”之一。

近日，器官芯片领域的先驱者，哈佛大学Wyss生物工程研究所的创始主任Donald E. Ingber教授在Nature reviews Genetics杂志上主要针对器官芯片的设计制造、临床模拟、药物研发和个性化医疗等方面的应用做了系统性的介绍。

1、新型的人类体外模型

微生理系统的发展通过微系统工程、组织工程和干细胞生物学的综合进步而取得了进展。因此，已经开发出许多微尺度的培养系统设计，以过去无法达到的水平重建组织和器官功能。为了获得改进的生物模拟，已经采用了两种广泛的微生理系统开发方法：静态3D培养系统和（2）微流控器官芯片。

静态微生理系统

静态微生理系统模型，包括二维细胞和在三维细胞外基质凝胶中生长的微工程组织和类器官，可以模拟组织发生和许多生物学功能，包括药物代谢和细胞毒性反应，以及在细胞和组织水平上模拟各种疾病状态。尽管如此，它们仍存在一定的缺陷：无法复制组织 - 组织界面，血管灌注，间质流动，循环免疫细胞或器官特异性机械因素。这些对于准确模拟药物化合物或其药代动力学和药效学（PK / PD）的递送和吸收，分布，代谢和排泄（ADME）至关重要。因此，静态微生理系统对于准确评估人体内的药物处置，功效和毒性不是最佳的。相比之下，微流体器官芯片可以提供所有这些功能。

微流控器官芯片

器官芯片的核心是微流控技术，它是使用基于软光刻的制造方法制，由光学透明，弹性，聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料组成。Donald E. Ingber教授于2010年在Nature上报道的第一个器官芯片培养装置概括了人体器官的主要功能单元肺泡的器官水平（即多组织）结构和功能。含两个平行的空心通道，由多孔细胞外基质涂层膜隔开，一侧衬有人肺泡上皮细胞，另一侧衬有人血管内皮细胞，从而重建肺泡-毛细血管界面。培养基通过内皮衬里通道灌注以模拟血管灌注，并将空气引入上皮通道以模仿肺的气液界面，而将循环吸力应用于空心侧室，可以将循环组织变形应用于柔性组织-组织界面以模仿呼吸运动。

另一种器官芯片设计使用传统的，可塑的，跨孔状的，多孔格式，其中通过在微型生物反应器腔内的刚性多孔膜的相对侧培养两种不同的人细胞类型来重建组织-组织界面。此外，3D打印技术等也被引入器官芯片领域中，用于构建复杂的微生理系统。

图一 微流控器官芯片设计

已经创建了多器官人体芯片系统，通过向多孔系统中包含的培养室生物反应器添加流体耦合来研究多器官生理学和全身水平的药物反应。使用液体控制系统能更容易与制药机器人管道集成，以在多个芯片之间按顺序传输流体动静脉混合储液器被集成到后一个系统中以提供培养基的混合，从而模拟中央循环中的血液混合，该储液器使液体采样更类似于对患者的外周血进行采样。另一种方法是在同一板内以流体方式连接多个微生物器官生物反应器室，每个腔室或透孔插入片段包含不同的组织类型，并且这些装置可以根据要耦合的器官的数量进行不同的配置。在这些多器官系统中，培养基直接从一种实质细胞类型流向另一种实质细胞类型。

器官芯片中的器件大多数都是光学透明的，可以实现实时高分辨率的显微镜成像。重要的是，无论芯片如何设计，动态流体流动和器官特异性机械线索的存在已被反复证明可以促进更高水平的组织特异性分化并增强器官水平的功能，甚至高于静态3D类器官培养物中显示的功能。

与静态微生理系统相比，微流控器官芯片的一个独特优势是，可以在组织 - 组织界面上建立氧梯度，因此由厌氧和好氧细菌组成的复杂活微生物组可以直接在人上皮（例如，肠上皮上的肠道微生物组）上共培养。由于器官芯片通常使用微工程方法制造，因此还可以集成各种类型的在线传感器来监测组织的活力和功能，包括实时监测氧气水平。组织屏障完整性的变化和细胞电活动。在过去的12年中，器官芯片已被用于模拟几乎所有器官系统中广泛的人类疾病和疾病，以获得对各种生理和病理生理过程的分子和细胞基础的新见解，模拟各种类型的药物递送方法，并概括人类患者对治疗、放疗、毒素和手术植入物的临床反应。

2、器官芯片的临床模拟

在这部分中，Donald E. Ingber教授总结了在药物开发和个性化医疗的背景下，关键人体器官芯片研究的结果，重点关注那些为临床模仿提供最有力证据的研究结果。主要介绍了不同类型的组织和器官的体外器官芯片模型（主要包括：肺、肝、心、肠、肾、脑、眼、骨、生殖器官、血管、淋巴），以及多器官联用的芯片结构和应用（PK/PD建模）。如下表所示：

图二 不同多器官人体芯片格式的示意图

图三 模拟人体芯片中的药物药代动力学和药效学

3、需要做什么来取代动物模型？

将人体器官芯片集成到药物开发过程中，使用这些模型生成的数据是一个复杂的问题。其中，最为一个关键的挑战是确定设计标准和性能参数，以使器官芯片模型在制药和生物技术公司以及监管机构采用所需的水平上具有功能性。每个器官芯片都必须针对特定的商业“使用环境”进行验证（例如，药物安全性，药物疗效，毒理学等）。然而，每个器官芯片也必须针对特定的生理使用环境进行验证。

现阶段，由于器官芯片行业还处于起步阶段，器官芯片通常比传统培养物更昂贵，因此要被接受，它们提供的性能改进必须同样巨大。然而，考虑到它们可能提供的人类临床模仿水平，动物模型在成本和使用复杂性方面可能是一个更合适的比较。值得注意的是，对制药公司的调查估计，器官芯片可以为其行业节省高达25%的研发成本。由于规模经济，芯片和运行它们所需的仪器的成本也应该随着时间的推移而逐渐降低。

4、未来的机遇和挑战

最后，Donald E. Ingber教授针对现有的器官芯片的研究进展，对器官芯片未来的机遇做了一定的展望。器官芯片已被反复证明可以模仿人类病理生理学，并比动物模型更好地预测人类对治疗药物的临床反应，因此在依赖动物测试数据方面，标准已经提高。值得注意的是，使用健康和患病的人体器官芯片模型进行毒性和功效测试。此外，探索使用来自不同患者供体的细胞，来自定义的遗传亚群的个体，甚至具有不同合并症（即其他持续性慢性疾病）的患者制成的器官芯片获得的结果的变化，可能会更好地复制体内临床数据的多样性，并可能有助于促进临床试验设计和提高成功率。在体外定量预测人类药物PK / PD参数的能力可用于优化新疗法的剂量方案，从而缩短I期临床试验。用患者来源的细胞构建芯片的能力也为治疗开发开辟了新的方法，特别是对于患有罕见遗传疾病的患者。器官芯片为动物模型提供了一种与人类更相关的替代方案。

图四 用于个性化医疗的人体器官芯片应用

在短期内，使用动物细胞的器官芯片可以帮助验证器官芯片这种方法，获得制药和学术界科学家的认可。但是，随着iPS细胞的发展，使用来自患者的细胞制造的单器官芯片或多器官芯片系统可以优化给药途径并为该特定患者设计剂量方案，从而开辟了精准医学的新道路。然而，这种方法将非常昂贵。因此，早期的策略可能是从特定遗传亚群的患者中创建原代细胞或干细胞的芯片，并使用这些芯片为特定群体开发或选择新药，然后使用这些患者进行临床试验。这种方法可以缩短时间，降低成本，并增加药物开发过程成功的可能性。另外，现阶段大多数器官芯片的通量低，这在药物开发管道的后期阶段需要更高通量的系统来实现具有许多重复的具有统计学意义的研究。然而，这一目标也可以通过开发能够同时培养和分析多个低通量器官芯片的自动化仪器来实现。

目前，器官芯片所面临的最大挑战是概念性认可：许多制药，监管和学术研究人员目前对他们进行研究的方式进行了大量投入，他们可能对改变自己的方式持谨慎态度；在他们接受这项新技术之前，需要令人信服的数据来证明人体器官芯片优于动物模型。尽管如此，在IQ联盟和FDA等组织的协助之下，现在必须达到标准才能验证使用人体器官芯片作为动物替代品，并且在这一领域看到了最新进展。目前，正处于这一领域的转折点，可能在不久的将来看到动物使用的真正减少，以及药物开发和个性化医疗以及基础研究的更有效方法的应用。

参考文献：

[1]秦建华, 张敏, 于浩,等. 人体器官芯片[J]. 中国科学院院刊, 2017, 32(12):9.

[2]吴谦, 潘宇祥, 万浩,等. 类器官芯片在生物医学中的研究进展[J]. 科学通报, 2019, 64(9):9.

[3] Ingber D E. Human organs-on-chips for disease modelling, drug development and personalized medicine[J]. Nature Reviews Genetics, 2022: 1-25.