器官芯片及其應用

孫威 陳雨晴 羅國安 張敏 章弘揚 王月榮 胡坪

摘 要 微流控芯片是細胞體外培養(yǎng)的重要平臺，基于該平臺所發(fā)展的器官芯片技術更因其能夠模擬人體器官的復雜結構及功能而受到重視。本文從不同器官的角度介紹了近年來器官芯片技術在構建人體生理學模型、藥物研發(fā)及毒理學研究中的應用，并對器官芯片技術的發(fā)展前景進行了展望。

關鍵詞 微流控芯片； 器官芯片； 細胞； 人體器官； 綜述

1 引 言

自2011年美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動由NIH、FDA和國防部聯(lián)合設立的人體芯片（Humanonchip）[1]專項以來[2]，在全世界范圍內掀起了人體芯片的研究熱潮。所謂人體芯片，就目前的研究水平而言，更確切地說是芯片仿真人體器官系統(tǒng)（Organonachip systems），也稱為器官芯片（Organsonchips）[3]，是一種利用微加工技術，在微流控芯片上制造出能夠模擬人類器官的主要功能的仿生系統(tǒng)[4]。除了具有微流控技術微型化、集成化、低消耗的特點[5]外，器官芯片技術能夠精確地控制多個系統(tǒng)參數(shù)，如化學濃度梯度[6]、流體剪切力[7]、以及構建細胞圖形化培養(yǎng)[8]、組織組織界面[9]與器官器官相互作用[10]等，從而模擬人體器官的復雜結構、微環(huán)境和生理學功能。

人體生理學研究是生命科學研究的重要部分，傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)模式在研究人體病理生理學方面已經(jīng)取得了許多成就，但是這些簡單的模式難以體現(xiàn)人體組織器官復雜的生理功能[11]，因此研究人員常使用動物實驗代替體外培養(yǎng)模式。然而，動物實驗也存在周期長、成本高等缺點，且動物模型常常不能預測人體對于各種藥物的響應[12]。器官芯片概念的提出，正是為了解決動物實驗的諸多不足，希望在芯片上建立更加真實的生理模型，并能成為一種仿生、高效、節(jié)能的生理學研究及藥物開發(fā)工具。

經(jīng)過近幾年來的快速發(fā)展，研究人員已經(jīng)在微流控芯片上實現(xiàn)了眾多人體器官的構建，如芯片肝、芯片肺、芯片腸、芯片腎、芯片血管、芯片心臟以及多器官芯片等。不僅如此，知名研究單位和制藥公司之間的合作已使器官芯片步入了實用階段。據(jù)報道，荷蘭生物技術公司Mimetas研發(fā)了一種芯片腎，并與幾家制藥公司達成了應用合作協(xié)議將其用于藥物篩選[13]。另外，強生公司也計劃利用哈佛大學wyss生物工程研究所隸屬Emulate公司的人體血栓仿真芯片系統(tǒng)進行藥物試驗，并利用肝芯片測試藥物的肝毒性[14]。

2 器官芯片的設計理念

細胞的生長需通過各種復雜的外環(huán)境與內環(huán)境的協(xié)同作用共同完成。因此在建立體外生理學模型時需要考慮外界環(huán)境參數(shù)的真實性[15]。將微流控技術與微加工、細胞生物學相結合而產生的器官芯片技術在對外界環(huán)境參數(shù)的控制中具有其他技術難以比擬的能力，通過產生流體剪切力、機械應力、生化濃度梯度等理化刺激，細胞能夠響應這些刺激而發(fā)生自組裝，展現(xiàn)更加真實的生理學功能，因而在體外生理學模型建立中具有特殊的優(yōu)勢[16]。

（1） 產生流體剪切力 流體的流動會產生剪切力，人體內每時每刻都存在著流體的流動，而傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)卻無法給與系統(tǒng)剪切力。微流控技術能夠通過微泵灌流實現(xiàn)細胞的動態(tài)培養(yǎng)，這有利于穩(wěn)定地給予細胞營養(yǎng)物質并及時將廢物排出，且相比于靜態(tài)培養(yǎng)，細胞所處的動態(tài)環(huán)境與體內更為相似。此外，灌流培養(yǎng)產生的流體剪切力對于人體的部分生理學功能如腎的重吸收而言必不可少[17]。

（2）提供動態(tài)的機械應力 人體內存在著與生命活動相關的壓力，如血壓、肺部壓力、骨骼壓力等。這種穩(wěn)態(tài)壓力對于維持機體的生理學功能如組織形成、細胞的分化甚至是腫瘤的形成具有重要的作用[18]。微流控技術能夠利用彈性多孔膜制造周期性的機械應力，例如將細胞培養(yǎng)于多孔膜上，利用外界作用力使多孔膜發(fā)生形變從而模擬部分生理功能，如肺的呼吸、腸道蠕動以及心臟收縮等。

（3）形成濃度梯度 由于在微尺度下，流體主要以層流形式運動，這有利于在通道中產生各種類型的濃度梯度[19]。以濃度梯度作為驅動的各種生化信號對于許多生理過程如細胞遷移、分化、免疫反應以及癌癥的轉移等起著關鍵的作用[20]。微流控技術能夠通過改變流速與通道尺寸，并利用微閥、微泵技術或獨特的通道設計等實現(xiàn)穩(wěn)定的、三維的生化濃度梯度，從而模擬人體內各種復雜的生理學過程[21]。此外，多通道的濃度梯度的實現(xiàn)為芯片上藥物的高通量篩選提供了可能性。

（4）實現(xiàn)細胞圖案化培養(yǎng) 人體的組織不是由單一的細胞堆疊而成，而是需要多種細胞有序的排列，通過復雜的相互作用形成功能化的整體。微流控技術對細胞具有超強操控能力，模板法[22]、表面修飾[23]、電化學法[24]、層流[25]、微柱結構[26]等都有助于實現(xiàn)在芯片上的細胞圖案化。這對構建具有一定復雜幾何結構的體外生理學模型大有裨益，同時能夠為研究細胞細胞相互作用、細胞細胞外基質相互作用提供一個理想的平臺。

3 器官芯片的研究進展

3.1 芯片肝

肝臟是人體內最重要的藥物代謝器官，藥物的肝毒性研究是新藥開發(fā)的重要內容。傳統(tǒng)靜態(tài)二維細胞培養(yǎng)模式下的肝細胞由于缺失與細胞外基質的聯(lián)系，很快就會失去肝功能[27]，且它們缺乏持續(xù)的灌流，不能理想地模擬生物微環(huán)境，而利用微流控技術與組織工程學能夠使具有肝功能的細胞自組裝，從而保持部分肝功能?，F(xiàn)有的芯片肝大多著眼于在芯片上建立肝臟的部分生理學模型，如膽小管、肝小葉、肝血竇模型等，并且利用這些模型進行藥物篩選及毒理學研究。例如，在早期的研究中，Lee等[28]設計了一種仿內皮細胞間隙結構的芯片并在其中培養(yǎng)原代肝細胞，培養(yǎng)液于間隙外部進行灌流培養(yǎng)，如圖1所示。這是首次在芯片上建立的肝血竇模型，具有高度滲透性的內皮間隙結構能夠將索狀結構中的原代肝細胞與外部血竇樣區(qū)域分離，但又能夠進行物質交換。在缺乏外基質的條件下細胞能夠存活7天，在藥物扶他林的作用下，細胞在短時間（4 h）內幾乎沒有顯示毒性，但在較長時間（24 h）作用下發(fā)生死亡，表明此模型中的肝細胞具有生理活性。該研究為之后芯片肝模型的建立奠定了基礎。Ho等[24]利用介電泳產生的放射狀電場梯度，將肝細胞與上皮細胞圖案化排列在一個圓形PDMS芯片上，成功模擬了肝小葉結構。在隨后的研究中，該課題組改進了此模型，設計了“蜂巢”形狀的仿肝小葉介電泳陣列，并研究了細胞細胞相互作用，結果表明，肝小葉結構能夠有效增加CYP1A1酶的活性。Hegde 等[29]制造了一個雙層芯片，通過多孔PET膜將通道分隔，并通過上層通道持續(xù)灌流培養(yǎng)下層通道中的膠原和纖連蛋白夾心的大鼠原代肝細胞，在芯片上建立了肝細胞“三明治”培養(yǎng)法。經(jīng)超過兩星期的培養(yǎng)，肝細胞能夠形成膽小管結構，并實現(xiàn)了一定的肝功能。

與現(xiàn)有的體外肝臟模型相比，芯片肝的主要優(yōu)勢在于能夠在微米尺度形成具有部分肝功能的肝細胞簇，從而建立更加接近人體形態(tài)學的肝模型，并能夠在較長時間內保持肝臟特異性功能[30]。由于微流控技術具有高內涵篩選的潛力，如何實現(xiàn)芯片肝的多參數(shù)、大通量的快速分析將成為研究人員下一步的研究重點。

3.2 芯片腎

腎臟是人體重要的排泄器官，對維持體內滲透壓與自穩(wěn)態(tài)具有重要的作用。腎臟的基本功能單元是腎單位，能夠通過生成尿液借以清除體內代謝產物及廢物，并且通過重吸收功能保留水分及其他營養(yǎng)物質[31]。對于腎單位功能的影響因素中，流體剪切力的影響非常重要，它能夠改變腎臟細胞的功能與形態(tài)，并與某些疾病如多囊性腎病有密切關系。Jang等[32]設計了一個雙層芯片模擬腎近球小管結構，并在系統(tǒng)中引入1 dyn/cm2的流體剪切力。芯片由多孔彈性膜分為兩層，在上層通道貼膜培養(yǎng)人原代近端腎小管上皮細胞。在流體剪切力作用下，細胞的白蛋白轉運和葡萄糖重吸收能力能夠分別達到Transwell實驗的2倍與3.5倍，充分證明了流體剪切力對于構建腎臟生理學模型的重要性。研究人員通過此芯片腎測試了順鉑的細胞毒性并與傳統(tǒng)的Transwell培養(yǎng)進行了對比[33]，在下層流體中定量（100 μmol）加入順鉑溶液，灌流作用24 h，引起細胞死亡，檢測乳酸脫氫酶活性，同時使用VFITC與PI染色法檢測細胞活率，結果表明，在相同條件下，芯片腎中細胞活率大于Transwell培養(yǎng)。

在腎臟病理生理學方面，Zhou等[34]在一個圓形十二通道的芯片上研究了上皮間質轉化引起的腎間質纖維化。將人近端腎小管上皮細胞置于恒定流速的血清蛋白中，觀察到細胞出現(xiàn)了間質表型轉變，且在加入C3a補體后也能得到同樣的結果，而在高溫滅活的血清中并沒有觀察到此現(xiàn)象的發(fā)生，這為研究這一病理過程提供了一個新的視角。Wei等[35]設計了一個單層管狀通道的微流控芯片，在管壁上培養(yǎng)單層的人腎小管上皮細胞（HK2），通過加入含有CaCl2與Na3PO4的HBSS緩沖液模擬了腎磷酸鈣結石的生成，首次在芯片上建立了體外腎結石模型并具有成為此疾病模型的潛力。

除了PDMS材料，水凝膠材料也成功應用于腎生理學模型的建立，Mu等[36]通過水凝膠鍵合技術將兩塊水凝膠拼接在一起，形成兩個平行的三維微脈管網(wǎng)絡，建立了腎單元的生理模型，可在不同的水凝膠通道中培養(yǎng)不同的細胞，如 MDCK細胞與人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）細胞，并通過水凝膠的傳質作用實現(xiàn)腎單元被動擴散的模擬。此水凝膠結構能夠在芯片上建立更加復雜的質量運輸?shù)纳韺W腎模型，增加芯片腎的多樣性與復雜性。

3.3 芯片腸

腸是消化管中最長的一段，也是消化功能最重要的一段。大部分藥物都是通過口服進入人體，口服藥物須經(jīng)過小腸進入血液循環(huán)，因此研究藥物經(jīng)腸道細胞的吸收成為了藥物篩選的重要步驟[37]。小腸壁上的絨毛使得小腸擁有巨大的表面積，從而達到快速吸收營養(yǎng)物質的作用，所以芯片上小腸絨毛形態(tài)學的建立對研究腸功能具有重要的意義。Sung等[22]通過激光燒蝕、PDMS軟光刻技術，并使用水凝膠作為模板，首次在芯片上構建了“梳子”狀3D水凝膠結構以模擬人的腸道絨毛結構，該結構與人腸絨毛的形狀與分布密度接近，長度約450～500 μm。研究人員通過在水凝膠表面覆蓋一層人腸上皮細胞（Caco2）進行細胞滲透率與跨膜電阻（TEER）的測定，發(fā)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)2D模型，此模型更加接近人體實際情況。進一步實驗可在水凝膠結構內引入血管內皮細胞從而制作更加復雜的生理學模型，并進行藥物吸收實驗。

腸道具有特殊的運動方式，包括分節(jié)收縮、腸道蠕動和腸絨毛的運動，而腸道蠕動在對營養(yǎng)物質的消化及吸收中具有重要的作用。為了模擬人體腸道蠕動，Kim等[38]設計了一個雙層PDMS芯片，通過彈性多孔膜將兩層通道分隔，在真空泵的作用下周期性的拉伸（0.15 Hz）該PDMS膜以模擬人體腸道蠕動的擴張與收縮。同時，在膜上培養(yǎng)了Caco2細胞并通過實驗證明經(jīng)過周期性的伸縮，細胞能夠分化并形成人體腸道內的腸絨毛結構。更為重要的是，研究人員還將人腸道內寄生的大腸桿菌與上皮細胞進行共培養(yǎng)，結果表明二者的共存能夠增加Caco2細胞的屏障功能。此研究實現(xiàn)了包括循環(huán)機械應力、流體剪切力以及微生物共培養(yǎng)等多個生理學相關參數(shù)的控制，高度真實地反映了人腸道復雜的生理學狀況，并取得了一定的研究成果。此外，Esch等[39]在不同形狀的硅基質陣列上固定一層SU8多孔膜，隨后利用二氟化氙將硅基質除去，得到一層三維膜。在該膜上培養(yǎng)Caco2細胞并通過熒光檢測發(fā)現(xiàn)，細胞能夠形成小腸絨毛結構并分泌閉合蛋白，表明細胞之間能夠形成緊密連接。

雖然器官芯片技術對復雜的腸道生理學功能進行了精確的模擬，但鮮有通過芯片腸對藥物吸收能力進行研究。Imura等[40]制作了一個由多孔膜分隔的雙層芯片腸并測定了環(huán)磷酰胺和熒光黃的吸收率。因此，在已有的腸模型基礎上實現(xiàn)藥物吸收的測定應成為下一步的研究方向。

3.4 芯片肺

肺是人的呼吸器官，肺泡是肺部氣體交換的主要部位，也是肺的功能單位。肺泡由一層單層上皮細胞和肺毛細血管內層的內皮細胞構成，具有復雜的生理結構。因此，傳統(tǒng)的體外培養(yǎng)模式難以對肺的生理模型進行準確模擬，而微流控技術因其對流體流量及芯片尺寸的精確控制、持續(xù)的流體灌輸以及持續(xù)的氣體交換能力為建立體外肺模型與肺的病理學研究提供了一個強有力的平臺。Huh等[41]構建了一個雙層芯片肺以模擬人的呼吸過程，其結構如圖2所示。由圖2可見，該芯片分為上下兩層，上層為氣體通道，下層為液體通道，中間由一個多孔彈性的PDMS膜將其分隔，膜的上側培養(yǎng)置于氣液界面的人肺泡上皮細胞，下側則是浸潤在動態(tài)流體環(huán)境中的血管內皮細胞，從而模擬人肺泡毛細血管屏障；同時在通道的左右兩側存在兩個與真空泵連接的側通道，通過有規(guī)律的真空條件變化（0.25 Hz）引起PDMS膜發(fā)生形變以模擬人呼吸時肺泡壁的擴張和收縮，而這在傳統(tǒng)的體外模型中是難以實現(xiàn)的。更重要的是，該模型能夠通過在氣道引入炎癥刺激物，并在液體通道加入中性粒細胞引起系統(tǒng)的生理學響應，并用于納米毒性的研究。隨后的工作中，通過引入白細胞介素2，研究人員成功建立了基于微流控芯片的肺水腫病理學模型[42]。

肺泡壁僅由一層上皮細胞組成，容易受到損傷而導致破裂?；谖⒘骺仄脚_的肺上皮細胞的損傷模型有剪切力模型、機械拉伸模型以及兩種作用力同時具備的模型[43]。例如Huh等[44]設計了一個自動化的芯片用于研究流體剪切力對細胞的損傷，芯片由上下兩個流體通道構成，通道由一個多孔聚酯膜分隔，下層通道通入液體，上層接種小氣道上皮細胞，同時注入液塞流，液塞流在流動過程中產生流體剪切力，從而建立細胞損傷模型?；诖四Ｐ?，他們還成功設計了一種微流體肺氣道芯片[45]，模擬了呼吸道表面液體（ASL）淤積導致的液塞流對肺上皮細胞的損傷。研究表明，大量的細胞損傷發(fā)生在液塞流傳播過程，而表面活性物質能夠有效防止細胞死亡，提示表面活性物質可以作為包括急性呼吸窘迫綜合征等多種病癥的潛在治療手段。

雖然上述芯片肺模型已經(jīng)具有一定的生理學結構，但是由于肺部結構的復雜和特殊性，現(xiàn)有的芯片肺模型仍相對簡單。因此，在芯片上實現(xiàn)更多的肺部生理學結構模擬，建立一個完整的芯片肺模型將成為研究人員研究的重點。

圖2 微流控芯片肺的結構[41]

Fig.2 Structure of microfluidic lungonachip device[41]

3.5 芯片心臟

成熟的心肌細胞是一種高度極化的細胞，具有收縮性。心肌細胞的收縮性與其外界的物理化學環(huán)境存在著緊密的聯(lián)系，如流速、鈣離子濃度、基底物質、電刺激等[46]。近幾十年來，研究人員致力于制造功能性心臟模型，并取得了許多重要的成果。但是這些模型的結構、生理學結構以及外部支持使其無法與微流控技術相結合。而微流控技術是在微觀尺度上利用對心臟組織的微操控獲得更加接近生理的形態(tài)學、電生理學以及收縮性數(shù)據(jù)。Grosberg等[47]在一塊彈性薄膜表面覆蓋一層心肌細胞薄片，通過施加電刺激研究心肌細胞的收縮性。此外，研究人員采用了實時數(shù)據(jù)分析技術檢測裝置中腎上腺素的動態(tài)變化，檢測范圍為10

Symbolm@@ 12～10

Symbolm@@ 4 mol/L。

心肌缺氧會導致心肌細胞損傷，從而引起心律失常、局部缺血和心力衰竭。Ren等[48]設計了一種微流控仿生芯片，用于模擬缺氧對心肌細胞的損傷。該芯片利用兩列平行的微柱陣列構造毛細血管內皮屏障，從而精確模擬了心肌組織的結構功能。當不同濃度的解偶聯(lián)劑FCCP作用于心肌細胞時，細胞出現(xiàn)了凋亡現(xiàn)象，且與FCCP的濃度及作用時間存在一定相關性。Ca2+的調控是心肌細胞的主要特征功能之一，而在細胞急性缺氧時該功能會受到影響。為了研究在缺氧早期細胞內鈣離子濃度的變化，Martewicz等[49]設計了一個能夠在線檢測細胞內Ca2+動態(tài)變化的芯片，通過快速改變芯片內氧濃度模擬細胞急性缺氧，證明了缺氧可誘導新生大鼠心肌細胞內Ca2+濃度的可逆變化。

大多數(shù)基于微流控技術的心臟模型使用的是PDMS材料，但是PDMS不利于細胞在芯片上的粘附。為此，Annabi 等[50]使用了兩種細胞兼容的水凝膠GelMA與Metro分別覆蓋于PDMS通道表面，以促進心肌細胞在芯片表面的粘附。與GelMA覆蓋的通道相比，Metro表面生長的原代心肌細胞表現(xiàn)出了更好的粘附性與收縮性。

現(xiàn)有的器官心臟模型通過改變外界參數(shù)很好的體現(xiàn)了心肌細胞的收縮性，為了建立更加真實的心臟模型，更多因素如三維環(huán)境以及共培養(yǎng)模式應成為研究的重點。此外，現(xiàn)階段在芯片上使用的細胞多為哺乳動物心肌細胞，因此，下一階段研究尤其是藥物毒性測試實驗需要使用更多的人類細胞以獲得更加真實的結果。

3.6 芯片血管

血管是指血液流經(jīng)的一系列管道，是連接各個器官并實現(xiàn)器官之間物質交換的重要部分，微血管網(wǎng)絡對維持新陳代謝以及組織微環(huán)境的穩(wěn)定具有重要作用。建立體外血管形態(tài)學與生理學模型能夠加快對微血管網(wǎng)絡這一復雜系統(tǒng)的病理生理學研究[51]。因此，芯片血管的建立對于研究體外器官間相互作用乃至“Humanonchip”構建具有重要的意義。Kim等[52]設計了一個三維灌注式芯片，芯片由5個平行的通道組成，通道之間存在著微柱陣列將其分隔，但可以進行物質傳導，中心通道與最外側通道分別用于HUVECs與基質細胞的培養(yǎng)，其余通道用于灌流，通過基質細胞分泌的促血管生成因子作用于HUVECs， 實現(xiàn)了芯片上的血管新生和血管再生。該芯片的主要優(yōu)點在于灌流式培養(yǎng)更加真實地反映了人體內血管的形態(tài)學特征，并表現(xiàn)出較強的屏障功能和長期穩(wěn)定性。

人的血液處在不斷流動的狀態(tài)，流體與血管壁之間能夠產生剪切力。研究剪切力對血管壁的作用在血管疾病如動脈粥樣硬化、血栓形成、炎癥性血管疾病及腫瘤經(jīng)血管轉移等的病理學研究具有重要的意義[53]。Nguyen等[54] 設計了一種微流控人工血管，通過控制管內流體的流動方向及流速發(fā)現(xiàn)當毛細管內剪切力超過10 dyn/cm2時能夠引起血管出芽生成，從而提出了生物體內潛在的血管密度自平衡機制。Zheng等[55]以I型膠原作為支架，在芯片中制造了一個三維結構的微血管網(wǎng)絡，通過加入生長因子如VEGF，對HUVECs與血管周細胞的相互作用及血管生成進行了研究。研究者在進一步的實驗中引入化學刺激如佛波酯來模擬血管對炎癥的響應，結果表明化學刺激能夠導致內皮細胞變?yōu)檠ㄇ盃顟B(tài)。此外，Wang等[56]合成了一種彈性的多孔透明纖維素人工血管，并將其植入三維膠原蛋白基質構建的微芯片中以模擬腫瘤粘附作用及經(jīng)血管的遷移。

由于微血管網(wǎng)絡的復雜性，在建立芯片血管模型時研究人員還需要考慮剪切力外的其他因素，如在系統(tǒng)中引入VEGF、轉化生長因子β[51]以及膽固醇等刺激對血管內皮細胞的響應，進一步增加芯片血管的真實性。

3.7 多器官芯片

預測和評估人體對各種藥物的響應，建立“Humanonchip”的重要步驟之一是將多個獨立的器官集成在一個芯片上。而肝臟代謝產生的毒素往往會引起其他器官毒性，因此，為了研究這種器官之間代謝作用的機理，肝細胞或組織常被用于與其他器官共同研究。Groothuis課題組[57]設計了一種由兩個細胞培養(yǎng)腔串聯(lián)而成的灌流培養(yǎng)芯片，并在兩個培養(yǎng)腔內均放置大鼠腸道與肝臟切片，模擬人體內的首過代謝。通過在上游培養(yǎng)腔中加入膽汁分泌產物引起上游腸成纖維細胞分泌生長因子，此生長因子能夠導致下游串聯(lián)的培養(yǎng)腔內肝細胞活性下降，而單獨培養(yǎng)的肝細胞并沒有出現(xiàn)類似現(xiàn)象。Ramello 等[58]利用一個肝腎細胞共培養(yǎng)芯片實現(xiàn)了抗癌藥匹服平的腎毒性研究。首先在芯片上接種肝、腎細胞孵育24h，隨后在肝腎芯片上加入50 μmol匹服平培養(yǎng)液灌流培養(yǎng)72 h，并設置肝細胞與腎細胞的單獨培養(yǎng)體系作為對照，通過檢測細胞數(shù)量、Ca2+釋放量及細胞代謝物等指標進行分析實現(xiàn)毒性測試。實驗結果證明，在肝腎共培養(yǎng)體系中，匹服平在肝細胞中代謝產生的具有腎毒性的氯乙醛導致了犬腎細胞下降30%，而單獨培養(yǎng)的肝、腎細胞體系中并沒有此現(xiàn)象。

人體結構的復雜性促使研究人員建立更加復雜的微流控多器官芯片系統(tǒng)。Zhang等[1]設計了一個多通道的三維微流控芯片，通過在不同的通道內分別培養(yǎng)不同的細胞模擬人體內的肝、肺、腎和脂肪組織，并實現(xiàn)了對轉移生長因子β1在不同通道的濃度控制。Shuler課題組[10，59，60]利用多器官芯片對藥物藥代動力學藥效動力學（PKPD）進行了多項研究。如Sung等[59]設計了一個如圖3所示的多層芯片，通過水凝膠三維培養(yǎng)3種不同的細胞株以模擬肝臟、腫瘤和骨髓結構。實驗通過在系統(tǒng)中加入5氟尿嘧啶引起細胞代謝變化，與計算得到的5氟尿嘧啶的PKPD理論模型結果相符。在最近的研究中，Maschmeyer等[61]在一個多器官芯片上以十萬分之一的比例縮小人的腸、肝、皮膚和腎，從而建立了多器官芯片模擬系統(tǒng)。此共培養(yǎng)體系能夠維持28天，細胞均保持高活性并能夠自發(fā)形成功能化的結構并實現(xiàn)系統(tǒng)的自穩(wěn)態(tài)。

綜上可知，器官芯片的研究已涉及人體的主要器官。此外，在微流控芯片上還成功構建了其它器官模型，如血腦屏障模型[8，62，63]、肌肉模型[64]、骨骼模型[65]、脾臟模型[66]、乳腺模型[67]、皮膚模型[68，69]等。

圖3 多器官微流控培養(yǎng)結構[59]

Fig.3 A multiorgan microfluidic framework[59]

a.分層的多器官芯片原理圖； b. 組裝的芯片實體圖。

a. A schematic of layered multiorgan chip； b. A picture of the assembled device.

4 展 望

由于微流控技術能夠通過精密的微加工技術對芯片上微通道的尺寸、空間位置以及連接方式等進行精確的控制；能夠使用各種新型的材料作為細胞生存的基底以及能夠提供持續(xù)的灌流培養(yǎng)模式，使其在體外細胞培養(yǎng)中有著無與倫比的實用性與潛力。隨著微加工技術與細胞三維培養(yǎng)相結合所誕生的器官芯片技術作為一種新型體外細胞培養(yǎng)平臺，在提出后即得到了廣泛重視和迅速發(fā)展。器官芯片技術旨在建立一個人工的仿生微環(huán)境，從而實現(xiàn)組織器官水平的模擬，并在此基礎上進行人體生理學研究、藥物開發(fā)以及其毒理學等相關研究。器官芯片技術能夠克服傳統(tǒng)二維細胞培養(yǎng)模式與動物實驗的不足，它具有建立高度仿生的體外生理學模型的潛力，甚至可能影響以制藥工業(yè)為代表的部分產業(yè)的發(fā)展進程。器官芯片最終目標是將不同器官的細胞集成于單一芯片中，構建更加復雜的多器官芯片模型甚至是人體模型，最終實現(xiàn)“Humanonchip”，為人體循環(huán)系統(tǒng)的研究以及藥物的藥代動力學與藥效動力學的建立提供了一個嶄新的平臺。

器官芯片技術目前還處在萌芽階段，仍有大量技術及產業(yè)化方面的問題需要解決：（1）開發(fā)更加適合細胞培養(yǎng)的新材料。現(xiàn)有的芯片材料多為PDMS、聚碳酸酯等，它們具有良好的滲透性與生物相容性，因此在芯片細胞培養(yǎng)中廣泛使用，然而PDMS被證明能夠吸附疏水性小分子，可能會減少有效的藥物濃度和活性并引起實驗誤差。因此需要進行表面化學改性，或者選擇其它代替材料。（2）使用更加可靠的人類細胞。下一代器官芯片將著眼于使用原代細胞與人類誘導多能干細胞，這對于特異性疾病的研究、個體化醫(yī)療及新藥開發(fā)具有重要意義。（3）由于芯片體積小，細胞容量低，因此需要開發(fā)高靈敏度的檢測方法和裝置。只有在不影響細胞活力的情況下實現(xiàn)細胞進程與生物標志物的準確的實時檢測，才能充分發(fā)揮器官芯片技術的潛能。因此發(fā)展適合于芯片的電化學、光學、免疫學的檢測手段，如使用各類傳感器，同時設計更加標準化的芯片，使之與傳統(tǒng)的生物檢測手段相匹配，亦將成為研究的重點。相信隨著技術的發(fā)展以及研究的深入，器官芯片技術必將廣泛應用于生命科學、醫(yī)學、藥學等領域的研究中。

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Organsonchips and Its Applications

SUN Wei1， CHEN YuQing1， LUO GuoAn2，3， ZHANG Min3， ZHANG HongYang1， WANG YueRong1， HU Ping*1

1（Shanghai Key Laboratory of Functional Materials Chemistry， School of Chemistry and Molecular Engineering，

East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

2（Department of Chemistry， Tsinghua University， Beijing 10084， China）

3（Shanghai Key Laboratory of New Drug Design & Modern Engineering Center for TCM， School of Pharmacy，

East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

Abstract Microfluidic chips are significant platforms of cell culture in vitro. Microfluidic chipbased organsonchips technology has received attention because it can mimic the complex structures and functions of human organs. In this review， the recent advances of organsonchips technology in different organs are reported including the build of human physiological models， drug discovery and toxicology research. And the development of this technology is proposed.

Keywords Microfluidic chip； Organsonchips； Cell； Human organ； Review

（Received 26 October 2015； accepted 23 December 2015）

This work was supported by the National Science and Technology Major Project for Significant New Drugs Development（No. 2013ZX09507005）