什么是芯片上的器官？

一、體外細(xì)胞培養(yǎng)的現(xiàn)狀

體外細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)對(duì)現(xiàn)代研究、臨床研究和藥物開發(fā)至關(guān)重要。一個(gè)多世紀(jì)以來，培養(yǎng)皿一直是體外細(xì)胞培養(yǎng)的基石。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者朱利葉斯·理查德·佩特里打算將其用于微生物培養(yǎng)。時(shí)間證明了它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛性與有用性。一個(gè)多世紀(jì)以來，這些器件已經(jīng)被制作成了大量的材料設(shè)備，并成為了生物學(xué)領(lǐng)域的突破性研究。

然而，隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)皿并不能還原體內(nèi)生物的真實(shí)情況。換句話說，培養(yǎng)皿無法重現(xiàn)體內(nèi)細(xì)胞的生理環(huán)境。

當(dāng)在塑料或玻璃板上培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)，我們忽略了體內(nèi)細(xì)胞微環(huán)境所帶來的諸多刺激，而這些刺激卻極大地影響著細(xì)胞在人體內(nèi)的行為與作用。西班牙哲學(xué)家奧爾特加·加塞特曾說過：“我是我自己和我周圍的環(huán)境"。細(xì)胞生物學(xué)同樣認(rèn)為，“細(xì)胞就是它們自己和它們的微環(huán)境"。如果不能正確地重建這種微環(huán)境，我們?cè)谘芯繒r(shí)，將歪曲體內(nèi)細(xì)胞的整體行為。

這一思路使全球的工程師和生物學(xué)家開始致力于開發(fā)新一代細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)，以滿足再現(xiàn)細(xì)胞微環(huán)境這尚未實(shí)現(xiàn)的需求。在這些新的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)中，其中最有前途的是微流控設(shè)備。

微流體學(xué)是一門研究微尺度流體操作的科學(xué)，其方法是將流體流動(dòng)限制在10-6-10-3m尺寸的通道中。這些應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)的平臺(tái)被稱為“芯片上的器官"，允許細(xì)胞接受類似體內(nèi)?的機(jī)械、電氣和化學(xué)刺激。

Beonchip則致力于這些平臺(tái)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和商業(yè)化。我們多元化的學(xué)科團(tuán)隊(duì)，其中包括生物學(xué)家、工程師和物理學(xué)家，每天都致力于開發(fā)新的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)和模型，以充分還原生物生命過程，并產(chǎn)生比經(jīng)典體外模型更可靠的結(jié)果。我們的最終目標(biāo)是通過新一代藥物研發(fā)體外平臺(tái)的創(chuàng)建和新臨床生物標(biāo)志物的鑒定，減少藥物研發(fā)和毒性試驗(yàn)中對(duì)動(dòng)物的使用，并加快疫苗研發(fā)進(jìn)程。此外，減少動(dòng)物研究而支持體外研究可以節(jié)省研究人員和制藥公司研發(fā)的時(shí)間和成本。

二、芯片上器官技術(shù)如何再現(xiàn)人體的生理環(huán)境？

首先，在流體通道中使用微通道和分隔室，可以使相關(guān)物質(zhì)和特定蛋白質(zhì)有組織地進(jìn)行沉積，從而模擬出細(xì)胞外基質(zhì)。這使得細(xì)胞能夠像在體內(nèi)一樣進(jìn)行粘附和相互作用。然后我們所研究的特定組織將連接一個(gè)介質(zhì)流，這個(gè)介質(zhì)流類似于流經(jīng)毛細(xì)血管的血流，可以灌溉生物組織。這種流動(dòng)會(huì)對(duì)特定組織產(chǎn)生物理壓力（剪切應(yīng)力），進(jìn)而直接影響細(xì)胞的表達(dá)形態(tài)。此外，這種流動(dòng)也會(huì)由于氧氣和營(yíng)養(yǎng)梯度的產(chǎn)生間接導(dǎo)致細(xì)胞遷移與分化。芯片上器官技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是可以通過添加藥物、免疫系統(tǒng)細(xì)胞、病毒、細(xì)菌等其他微生物，將微生物組復(fù)制到芯片灌注的介質(zhì)中。因此，將不同類型的細(xì)胞組合在一個(gè)類似體內(nèi)的結(jié)構(gòu)中，并引入這個(gè)組織在體內(nèi)所受到的所有物理和化學(xué)刺激，我們就可以重建器官或組織的一部分，來構(gòu)建一個(gè)功能單元。

這些功能單元可以相互連接來模擬出體內(nèi)不同器官的串?dāng)_，因此可以研究這個(gè)相互連接的系統(tǒng)里所產(chǎn)生的各種復(fù)雜生化反應(yīng)，這個(gè)概念則被稱為體芯片。值得一提的是，美國(guó)懷斯研究所的研究人員開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)例子，他們將芯片上的腸道與肝臟和腎臟連接起來，以評(píng)估口服尼古丁的效果。在腸壁吸收后，尼古丁通過模擬的循環(huán)系統(tǒng)被運(yùn)輸?shù)礁闻K進(jìn)行代謝，最后到達(dá)腎臟排出體外1。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這項(xiàng)技術(shù)將用于個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)。即從患者身上提取出細(xì)胞并培養(yǎng)在芯片中，在體外復(fù)制患者的疾病。這種復(fù)制品將允許醫(yī)生和生物學(xué)家測(cè)試不同的藥物和治療方法，以觀察哪種療法適合不同的病人。

我們?cè)贐eonchip的目標(biāo)是隨著芯片器官技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)本文提到的所有目標(biāo)，在我們內(nèi)部研發(fā)團(tuán)隊(duì)的幫助下，密切幫助我們的客戶采用新一代細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)。我們將繼續(xù)致力于開發(fā)這些創(chuàng)新平臺(tái)，為更高效、更具倫理道德的生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域鋪平道路。

圖1，來源：Beonchip

圖1顯示了如何在微流控設(shè)備中重建芯片上皮膚模型的示例。該裝置可以通過多孔膜將培養(yǎng)井與微流控通道連接起來，從而研究復(fù)雜的培養(yǎng)結(jié)構(gòu)。在這個(gè)裝置中，可以重建灌溉皮膚組織的血管，覆蓋分離通道的膜，并與內(nèi)皮細(xì)胞很好地進(jìn)行結(jié)合。真皮主要由膠原和成纖維細(xì)胞組成，利用水凝膠中成纖維細(xì)胞的三維培養(yǎng)進(jìn)行模擬。在水凝膠聚合后，我們可以在氣液界面培養(yǎng)一層角化細(xì)胞。這種培養(yǎng)條件有利于不同層系的外延生長(zhǎng)。

作者：Sandra Gonzalez Lana and Luis Serrano

參考文獻(xiàn)：

Herland, A. et al. Quantitative prediction of human pharmacokinetic responses to drugs via fluidically coupled vascularized organ chips. Biomed. Eng. 4, 421–436 (2020).

Altas de histología. Facultad de Medicina. Universidad de Zaragoza. 

原文鏈接：Beonchip