微流控芯片在眼科基礎(chǔ)與臨床研究中的應(yīng)用進(jìn)展

吳鈺清 綜述 洪佳旭 審校

復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院眼科,上海 200031

微流控芯片是一種集成了樣品制備、反應(yīng)和檢測(cè)等多種操作的微米大小芯片,具有快速、低消耗和高通量的特點(diǎn)[1]。其最早起源于微型全分析系統(tǒng),旨在微芯片上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的分析功能[2]。微流控芯片技術(shù)是由微機(jī)電技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一項(xiàng)革命性技術(shù),其通過(guò)微管道網(wǎng)絡(luò)和精準(zhǔn)調(diào)控微流體來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品制備、分離和檢測(cè),并調(diào)控流體的表面張力、毛細(xì)管力、流體粘度、剪切力等力學(xué)特征,從而構(gòu)建微流體系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)一種或多種分析功能[3]。

微流控芯片根據(jù)液體被操控的形態(tài)可分為連續(xù)微流控和液滴微流控;根據(jù)液體移動(dòng)的路徑可分為基于通道和基于開(kāi)放平臺(tái)的微流控[4];根據(jù)微流體通道材料可分為硅、玻璃、聚合物基材和紙基微流控芯片等。最早用于微流控芯片的材料是硅和玻璃,目前聚合物基材是最常用的材料。其中聚二甲基硅氧烷由于其低成本、高透氣性、良好的透光性和生物相容性等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)等研究中。因此,在制備微流控芯片時(shí)應(yīng)根據(jù)功能需求、成本預(yù)算等因素選擇合適的材料[5]。

微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)及生命科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。其中,微流控器官芯片是一種新型生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用芯片。器官芯片能夠克服傳統(tǒng)動(dòng)物模型物種差異和體外模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的限制,實(shí)現(xiàn)對(duì)人體微生理環(huán)境的高度仿生,為研究疾病機(jī)制的體外建模和藥物遞送篩選提供了新的平臺(tái)。在體外檢測(cè)方面,微流控分析芯片是新一代即時(shí)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)。目前,血液、尿液、唾液是體外檢測(cè)的主要樣本。在眼科領(lǐng)域,淚液作為一種非侵入性獲取的體液,基于其中生物標(biāo)志物的連續(xù)監(jiān)測(cè)和即時(shí)診斷是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。

近年來(lái),微流控芯片在器官芯片、即時(shí)檢測(cè)和藥物分析等方面發(fā)展迅速,本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外近年的相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)微流控芯片在眼科的體外模型構(gòu)建、即時(shí)檢測(cè)和藥物分析等應(yīng)用方面的進(jìn)展和不足進(jìn)行總結(jié),并展望未來(lái)的發(fā)展方向。

1 微流控器官芯片在眼科基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用

微流控器官芯片是微流控技術(shù)與細(xì)胞生物學(xué)和組織工程學(xué)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。器官芯片通過(guò)將細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)胞微環(huán)境整合于芯片上并精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)械應(yīng)力、流體剪切力、生化濃度梯度、細(xì)胞排布等多種參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)人體器官和組織功能的高度仿真[6]。相較于傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)方法,微流控器官芯片能夠更有效地模擬人體組織器官的復(fù)雜生理功能。此外,微流控器官芯片還克服了動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、物種差異等問(wèn)題[7]。器官芯片主要有4大關(guān)鍵元件[8]:(1)微流體網(wǎng)絡(luò) 用于細(xì)胞接種及培養(yǎng)過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)液與廢液的運(yùn)輸;(2)細(xì)胞培養(yǎng)室 依據(jù)細(xì)胞類(lèi)型設(shè)計(jì)的用于排布細(xì)胞的二維或三維細(xì)胞腔室;(3)刺激信號(hào)組件 用于產(chǎn)生物理和化學(xué)信號(hào)的組件以模擬促組織結(jié)構(gòu)和功能成熟的生理微環(huán)境,如電刺激可促進(jìn)心肌細(xì)胞成熟,還可通過(guò)藥物遞送組件給予不同的刺激信號(hào),用于藥物篩選;(4)微傳感器組件 用于檢測(cè)體系內(nèi)各組分變化。近年來(lái),器官芯片飛速發(fā)展,目前已實(shí)現(xiàn)了對(duì)肺、肝臟、腎臟、神經(jīng)和心臟等單器官芯片及腸-腎臟、肝臟-腸、腸-肝臟-腫瘤等多器官芯片的構(gòu)造。在眼科領(lǐng)域,微流控芯片模型主要運(yùn)用仿生角膜、視網(wǎng)膜等以分析干眼、青光眼、年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration,AMD)和糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)等疾病。

1.1 角膜芯片模型

角膜上皮層和基質(zhì)層是限制眼局部藥物滲透的重要因素。構(gòu)建能夠模擬眼表微環(huán)境、再現(xiàn)屏障功能的體外角膜組織有望促進(jìn)眼表疾病的研究和新藥的開(kāi)發(fā)。

角膜芯片最早由Puleo等構(gòu)建,他們利用膠原vitrigel膜和酶刻蝕技術(shù)進(jìn)行降解,以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)材料的厚度和孔徑等多方面的優(yōu)化,從而得到具有完整屏障作用的雙層角膜芯片[9]。

除解剖因素外,淚膜動(dòng)力學(xué)也是構(gòu)建高仿生角膜芯片的重要因素。近年來(lái),Bennet等[10]設(shè)計(jì)了具有上皮層、Bowman層和基質(zhì)層特性的多層角膜上皮芯片模型,并引入了靜態(tài)、持續(xù)淚液流動(dòng)和眨眼相關(guān)的3種不同淚流模式,以模擬淚液流動(dòng)和眨眼相關(guān)的生理微環(huán)境,研究藥物在此條件下的滲透性。Abdalkader等[11]報(bào)道了一種可模擬眨眼時(shí)淚液運(yùn)動(dòng)的角膜芯片,利用雙向驅(qū)動(dòng)的注射泵施加眨眼時(shí)的剪切應(yīng)力;結(jié)果顯示,剪切應(yīng)力提高了人角膜上皮細(xì)胞中成熟標(biāo)志物角蛋白19的表達(dá)量,相較于以往的角膜芯片模型,該芯片可得到培養(yǎng)狀態(tài)更好的角膜細(xì)胞。Seo等[12]則取得了眼表仿生模型的重大突破,開(kāi)發(fā)了一種可自發(fā)眨眼、具有多重細(xì)胞結(jié)構(gòu)的眼表微模型;他們利用模擬角膜曲率的圓頂3D支架培養(yǎng)細(xì)胞,并應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)水凝膠眼瞼進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng),成功構(gòu)建了僅6 μm厚的淚膜,以再現(xiàn)眨眼運(yùn)動(dòng)和眨眼期間淚膜厚度的變化。此外,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將眨眼頻率由12次/分鐘調(diào)整為6次/分鐘,誘導(dǎo)了眼表高滲和淚膜不穩(wěn)定狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)過(guò)強(qiáng)型干眼的造模[12]。Mattern等[13]開(kāi)發(fā)了DynaMiTES的動(dòng)態(tài)微組織工程系統(tǒng),通過(guò)在該裝置中精確調(diào)控微流體的剪切應(yīng)力,以研究人角膜上皮層和基質(zhì)層的細(xì)胞屏障對(duì)藥物滲透性的影響。

1.2 視網(wǎng)膜相關(guān)的芯片模型

正常的視網(wǎng)膜屏障包含血視網(wǎng)膜外屏障和內(nèi)屏障,二者在調(diào)節(jié)血液循環(huán)和物質(zhì)運(yùn)輸方面起到重要作用。任一種屏障的破壞都可能會(huì)引起視網(wǎng)膜上皮層水腫或脫離[14]。因此,設(shè)計(jì)具有多層細(xì)胞結(jié)構(gòu)和血流灌注的視網(wǎng)膜芯片模型,在微米尺度上研究流體灌注、剪切應(yīng)力以及細(xì)胞因子梯度對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞遷移和新生血管生成的影響,對(duì)研究AMD和DR等疾病具有重大意義[14-15]。目前,視網(wǎng)膜相關(guān)的芯片模型主要包括血視網(wǎng)膜外屏障芯片和完整的視網(wǎng)膜芯片[15]。

最簡(jiǎn)易的血-視網(wǎng)膜外屏障模型通常使用聚二甲基硅氧烷多孔膜進(jìn)行分隔,在2個(gè)相互平行排列的微通道分別種植人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞ARPE-19和臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞[16]。Kaji等[16]設(shè)計(jì)了一種可在血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子影響下實(shí)現(xiàn)臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞穩(wěn)定遷移的早期血-視網(wǎng)膜外屏障模型,可用于監(jiān)測(cè)缺氧和低葡萄糖水平對(duì)脈絡(luò)膜血管生成的影響,為血管生成相關(guān)疾病的研究提供了平臺(tái)[17]。Chuchuy等[18]報(bào)道的血-視網(wǎng)膜外屏障芯片使用靜電紡絲技術(shù)制備3D纖維膜,以模擬天然細(xì)胞外基質(zhì),使得脈絡(luò)膜新生血管(choroidal neovascularization,CNV)可以穿過(guò)生物材料,更準(zhǔn)確地模擬CNV致視網(wǎng)膜色素上皮層破裂的病理過(guò)程。

新型血-視網(wǎng)膜外屏障芯片引入了可灌注的微血管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Paek等[19]通過(guò)在水凝膠中嵌入視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞和脈絡(luò)膜成纖維細(xì)胞,構(gòu)造了3D脈絡(luò)膜血管床,結(jié)果表明血管灌注提高了視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(retinal pigment epithelial cells,RPEs)的生理功能并促進(jìn)其表型轉(zhuǎn)變。Chung等[20]設(shè)計(jì)了首個(gè)模擬濕性AMD中新生血管出芽和滲透進(jìn)入視網(wǎng)膜色素細(xì)胞層的體外模型,且該模型可穩(wěn)定發(fā)揮長(zhǎng)達(dá)48小時(shí)的屏障功能;此外,研究人員還在該裝置上驗(yàn)證了貝伐單抗治療CNV的效果,表明其具有評(píng)估藥物療效、測(cè)定藥物治療劑量的潛能。Arik等[21]創(chuàng)新性地在芯片模型中整合臨床檢測(cè)技術(shù),應(yīng)用光學(xué)相干斷層掃描對(duì)血管的直徑和密度進(jìn)行可視化評(píng)估,采用熒光示蹤技術(shù)動(dòng)態(tài)觀察屏障通透性,從而深入探究AMD復(fù)雜的疾病機(jī)制。此外,Arik等[22]還報(bào)道了基于Ⅰ型膠原蛋白水凝膠的血-視網(wǎng)膜外屏障芯片具有良好的生物相容性,其集成細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的特性可為細(xì)胞外基質(zhì)重塑相關(guān)疾病研究提供有力平臺(tái)。

新一代的血-視網(wǎng)膜屏障模型在外屏障的基礎(chǔ)上整合了血-視網(wǎng)膜內(nèi)屏障,完善了芯片的結(jié)構(gòu)層次。Yeste等[23]通過(guò)將原代人視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞、人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞和ARPE-19種植于3個(gè)平行微通道中,構(gòu)建了包含內(nèi)屏障、神經(jīng)元中間層和外屏障的結(jié)構(gòu)模型,并且實(shí)現(xiàn)了不同通道異型細(xì)胞的細(xì)胞接觸和旁分泌,其可作為推動(dòng)視網(wǎng)膜疾病研究的理想模型。

除血-視網(wǎng)膜屏障芯片外,Achberger等[24]報(bào)道了含有7種視網(wǎng)膜細(xì)胞和血管灌注結(jié)構(gòu)的完整視網(wǎng)膜芯片;通過(guò)將視網(wǎng)膜類(lèi)器官和RPEs整合至微流控平臺(tái),解決了類(lèi)器官缺乏血流灌注的局限性,體外重現(xiàn)了RPEs與光感受器的交互界面,為研究視網(wǎng)膜退行性變等疾病提供了技術(shù)支持。

1.3 其他芯片模型

微流控器官芯片除了用于構(gòu)建角膜、血-視網(wǎng)膜屏障和視網(wǎng)膜模型以研究干眼、AMD、DR等疾病以外,還可應(yīng)用于構(gòu)建眼腔和青光眼疾病模型等。眼腔內(nèi)硅油填塞是玻璃體切除后的重要手段,Chan等[25]報(bào)道了一種可原位定量硅油乳化后液滴數(shù)量和大小的眼后房芯片模型,該模型有助于標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估硅油填塞,改善現(xiàn)有治療方法。Nafian等[26]利用大鼠的原代視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和高精度的壓力傳感器芯片,設(shè)計(jì)了基于微流控芯片的青光眼模型。

2 微流控芯片在臨床研究中的應(yīng)用

微流控芯片在臨床研究中得到廣泛應(yīng)用,其中器官芯片是篩選藥物、評(píng)估藥物生物利用度和毒性、探索疾病治療方法的理想模型。此外,微流控技術(shù)具有高效率、高集成、便攜性等優(yōu)勢(shì),極大促進(jìn)了其在即時(shí)檢驗(yàn)中的應(yīng)用,推動(dòng)臨床醫(yī)學(xué)中檢驗(yàn)診斷的發(fā)展。

2.1 疾病診斷

微流控分析芯片可快速檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)淚液中多種生物標(biāo)志物,如溶菌酶、蛋白質(zhì)、電解質(zhì)等物質(zhì),可為干眼、青光眼、DR的診斷提供新的思路。

研究顯示,干眼患者淚液中的金屬離子含量較正常人明顯升高[27]。Yetisen等[28]設(shè)計(jì)了一種可在3分鐘內(nèi)分析淚液電解質(zhì)的紙基微流體芯片,該裝置含4個(gè)檢測(cè)尖端,通過(guò)毛細(xì)管收集樣本,利用熒光螯合劑和傳感器來(lái)量化離子濃度信號(hào),有助于干眼的早期診斷、分型和分期。除了光傳感器,基于免疫分析原理的微流控分析芯片檢測(cè)技術(shù)也逐漸成熟。Wang等[29]提出了一種基于光電動(dòng)平臺(tái)和微磁珠富集技術(shù)的免疫分析芯片,用于檢測(cè)淚液中的脂質(zhì)運(yùn)載蛋白1和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子,為DR提供了一種準(zhǔn)確率高達(dá)80%的無(wú)創(chuàng)篩查手段,未來(lái)有望提高糖尿病高危人群的篩查率,促進(jìn)DR的早期診斷。

近年來(lái),基于接觸鏡傳感器和微流控技術(shù)的穿戴式芯片已作為一種非侵入性裝置,用于疾病診斷和預(yù)后。其利用接觸鏡和眼表的直接接觸,完成對(duì)淚液的微量采集和原位分析,最后在手機(jī)終端獲取數(shù)據(jù)。Ballard等[30]開(kāi)發(fā)了一種基于接觸鏡的可穿戴式芯片,用于檢測(cè)淚液中的溶菌酶,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置在干眼淚液組學(xué)分析和作為個(gè)體化健康監(jiān)測(cè)設(shè)備具有潛力。Song等[31]設(shè)計(jì)了一種可測(cè)量眼壓和低濃度白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-12p70的多功能接觸鏡芯片,其通過(guò)傳感器表面的抗原抗體結(jié)合產(chǎn)生光程差的變化來(lái)檢測(cè)細(xì)胞因子濃度,為青光眼的早期診斷提供依據(jù)。Moreddu等[32]開(kāi)發(fā)了一種集成5種比色傳感器的接觸鏡紙基微流體芯片,用于檢測(cè)淚液中的pH值、葡萄糖、蛋白質(zhì)、抗壞血酸和亞硝酸鹽,并表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,有助于實(shí)現(xiàn)多種眼部疾病的個(gè)體化即時(shí)檢測(cè)。

2.2 疾病治療

實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜移植細(xì)胞的定向遷移是成功恢復(fù)視力和治療視網(wǎng)膜退行性疾病的關(guān)鍵因素。Su等[33]設(shè)計(jì)了一種含有100個(gè)微通道陣列的芯片模型,在該模型中完成了視網(wǎng)膜神經(jīng)元細(xì)胞的定向突觸再生并對(duì)其進(jìn)行了量化評(píng)估,為視網(wǎng)膜移植細(xì)胞質(zhì)量的高通量篩查提供了手段。Mishra等[34]報(bào)道了一種仿生視網(wǎng)膜的微流體芯片,探究了人和小鼠眼睛幾何形狀對(duì)視網(wǎng)膜祖細(xì)胞(retinal progenitor cell,RPC)遷移的影響,并結(jié)合梯度濃度發(fā)生裝置,揭示了基質(zhì)衍生因子1梯度介導(dǎo)RPC靶向遷移治療退行性視網(wǎng)膜疾病的可行性。Thakur等[35]利用μLane系統(tǒng)評(píng)估微流控芯片中不同基質(zhì)材料中RPC單細(xì)胞和細(xì)胞簇位移的程度,發(fā)現(xiàn)層粘連蛋白可有效介導(dǎo)RPC遷移,為改善視網(wǎng)膜移植治療效果提供了新策略。

2.3 藥物分析

微流控芯片在藥物分析領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,可用于藥物篩選、藥代動(dòng)力學(xué)分析、藥物毒性評(píng)價(jià)等方面。目前,適用于藥物分析的微流控芯片類(lèi)型包括微液滴芯片、單細(xì)胞微流控芯片、器官芯片及基于模式生物的微流控芯片等。器官芯片作為仿生模型可以用于眼科藥效學(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)的研究,如藥物的作用機(jī)制、毒性、吸收和分布等研究,以實(shí)現(xiàn)藥物的高通量篩選,推進(jìn)新藥的研發(fā)進(jìn)程。

2.3.1藥物篩選 微流控器官芯片作為體外組織模型,結(jié)合基礎(chǔ)研究的生化分析和臨床檢測(cè)技術(shù),可用于評(píng)估眼局部用藥的療效和監(jiān)測(cè)早期藥物眼毒性,提高基礎(chǔ)研究成果的臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值。Ragelle等[36]設(shè)計(jì)了一種可用于藥物研發(fā)和生理機(jī)制探究的血-視網(wǎng)膜屏障芯片,實(shí)現(xiàn)了拮抗血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A促血管滲透性化合物的篩選。Lubricin作為一種高效潤(rùn)滑性的黏蛋白樣糖蛋白,其合成減少或缺失在干眼發(fā)病中起到重要作用[37]。Seo等[12]基于眨眼仿生芯片構(gòu)建了蒸發(fā)過(guò)強(qiáng)型干眼模型,經(jīng)淚膜破裂時(shí)間、角膜上皮熒光素染色等臨床檢測(cè)手段驗(yàn)證外源性Lubricin通過(guò)減小摩擦系數(shù)從而治療干眼的作用。此外,基于干眼模型芯片,該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了Lubricin在治療干眼中的抗炎作用,通過(guò)促NF-kB在胞質(zhì)的分布,下調(diào)toll樣受體4,降低淚液中IL-8、IL-1β、腫瘤壞死因子α和基質(zhì)金屬蛋白酶9的濃度。Nafian等[26]利用青光眼芯片證實(shí)了腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子及其新型模擬物在高眼壓中對(duì)RPC的保護(hù)作用。Achberger等[24]采用視網(wǎng)膜芯片驗(yàn)證了氯喹和慶大霉素對(duì)視網(wǎng)膜的毒副作用,并證實(shí)了視網(wǎng)膜色素細(xì)胞層在降低藥物毒性方面的作用。

2.3.2藥物滲透性 眼表的靜態(tài)屏障和動(dòng)態(tài)屏障,如淚膜、眨眼清除和角膜都是限制眼前節(jié)給藥效果的重要因素[38]。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的人工眼模型來(lái)研究藥物在眼表的滯留時(shí)間和滲透性,對(duì)提高藥物的生物利用度具有重大意義。Bai等[39]通過(guò)構(gòu)建完整的角膜芯片模型和去內(nèi)皮層的角膜芯片模型,檢測(cè)不同分子量葡聚糖的擴(kuò)散速率,證實(shí)了相較于內(nèi)皮屏障,角膜上皮屏障是影響藥物擴(kuò)散的主要因素。Bennet等[10]研究發(fā)現(xiàn),基于脈沖流動(dòng)模型的角膜芯片測(cè)得的藥物滲透率準(zhǔn)確性優(yōu)于靜態(tài)模式,并且完成了對(duì)不同劑型眼用制劑的滲透性和眼表滯留時(shí)間的評(píng)估。Mattern等[13]在DynaMiTES中利用有限單元法模擬淚液流動(dòng),并通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)成功測(cè)量了連續(xù)的細(xì)胞跨上皮電阻以評(píng)估藥物的滲透性。這些研究結(jié)果表明角膜芯片能夠?qū)ξ⒘黧w進(jìn)行精確定量調(diào)控,可作為理想的體外模型用于藥物的臨床前評(píng)估、補(bǔ)充離體數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)在體數(shù)據(jù)。

2.3.3藥物靶向遞送 藥物遞送系統(tǒng)是指在劑量、時(shí)間和空間上調(diào)控藥物在體內(nèi)分布的技術(shù)體系,對(duì)提高局部病灶處的濃度和藥物療效有顯著作用[40]。Dodson等[41]設(shè)計(jì)了由12個(gè)液體微通道和1個(gè)抽吸通道構(gòu)成的視網(wǎng)膜器官芯片藥物定點(diǎn)遞送模型。該芯片中的視網(wǎng)膜直接來(lái)源于小鼠的離體視網(wǎng)膜,通過(guò)微流體技術(shù)產(chǎn)生負(fù)壓和流體吸力,使得視網(wǎng)膜密封孔道,并采用實(shí)時(shí)視網(wǎng)膜成像進(jìn)行追蹤藥物流向,結(jié)果表明該模型可實(shí)現(xiàn)藥物定向遞送到指定孔道處的視網(wǎng)膜。

3 小結(jié)與展望

微流控芯片作為生物醫(yī)藥研究的前沿領(lǐng)域,具有集成小型化、自動(dòng)化、高通量、試劑消耗少及樣本需求量少等優(yōu)點(diǎn)。微流控器官芯片在疾病建模、藥物篩選和個(gè)性化醫(yī)療中展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。然而,微流控芯片仍然存在許多技術(shù)壁壘等待攻克。

器官芯片盡管發(fā)展迅速,可模擬眼組織微環(huán)境,但目前仍然存在一定的局限。首先,器官芯片內(nèi)各項(xiàng)生物標(biāo)志物的檢測(cè)仍很大程度依賴人工操作。而離體檢測(cè)存在所需樣本量大及重復(fù)操作等缺點(diǎn),會(huì)干擾器官芯片微環(huán)境,影響芯片性能[6]。未來(lái),克服傳感器的生物相容性問(wèn)題并將其集成到器官芯片中,實(shí)現(xiàn)對(duì)生物標(biāo)志物的原位、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)將是器官芯片的主要發(fā)展方向。其次,現(xiàn)有眼科的仿生模型仍較為簡(jiǎn)單,以模擬眼部的單一結(jié)構(gòu)為主,如角膜、視網(wǎng)膜、眼腔等[42]。然而,眼科疾病往往不僅僅影響單一組織,因此構(gòu)建集成多組織結(jié)構(gòu)的微流控芯片對(duì)于模擬眼內(nèi)各組織間相互作用、推動(dòng)疾病機(jī)制研究、促進(jìn)藥物分析和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的發(fā)展有重大意義。如構(gòu)建同時(shí)含有視網(wǎng)膜和血-視網(wǎng)膜屏障的芯片模型將更好地實(shí)現(xiàn)AMD疾病的體外模擬;設(shè)計(jì)聯(lián)合小梁網(wǎng)和視網(wǎng)膜的模型可更好地推動(dòng)青光眼疾病的研究[42]。此外,在眼組織微環(huán)境模擬方面,現(xiàn)有的眼表組織芯片模型存在一些缺點(diǎn),如尚未考慮免疫因素、微生物因素的影響以及缺乏結(jié)膜組織血流灌注等[14];在評(píng)估藥物應(yīng)用方面,目前尚缺乏模擬玻璃體內(nèi)給藥等其他眼后節(jié)給藥方式的芯片模型[42]。最后,目前的技術(shù)尚未能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的細(xì)胞培養(yǎng)來(lái)模擬慢性疾病發(fā)展的病理過(guò)程[15];細(xì)胞培養(yǎng)室中反復(fù)的培養(yǎng)基灌洗可能會(huì)損害芯片的完整性,因此保證裝置的穩(wěn)定性、完整性和可重復(fù)使用性也是微流控芯片發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)[23]。

在眼科疾病診斷方面,基于角膜接觸鏡的可穿戴微流控芯片應(yīng)用前景廣泛,可實(shí)現(xiàn)對(duì)淚液中各電解質(zhì)及生物標(biāo)志物的分析,但其存在以下不足之處。首先,體外淚液診斷實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性很大程度取決于淚液的收集方法[43]。然而,目前尚未對(duì)基于接觸鏡的淚液采樣方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。未來(lái)的研究可以量化該采樣方法與Schirmer試驗(yàn)、玻璃毛細(xì)管等常用淚液采樣方法之間的誤差,分析淚液與接觸鏡之間的非均勻相互作用、接觸鏡的佩戴和摘取過(guò)程等因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。這些研究對(duì)于進(jìn)一步提高疾病診斷的準(zhǔn)確性具有重大意義[30]。其次,目前基于接觸鏡的可穿戴微流控芯片主要依靠毛細(xì)管力使得淚液自動(dòng)流入芯片的微流控體系,但是對(duì)于一些患者,如干眼患者,淚液分泌量不足以使其自動(dòng)擴(kuò)散入體系內(nèi)。因此,設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)微通道壓力以泵入淚液的裝置將有助于淚液采樣的應(yīng)用[43]。最后,用于即時(shí)診斷的微流控芯片應(yīng)集成更多的功能組件,從多個(gè)角度輔助診斷疾病。如設(shè)計(jì)能夠分析淚液中青光眼生物標(biāo)志物并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)眼壓芯片以提高對(duì)青光眼疾病診斷的準(zhǔn)確度[31];將微流控芯片終端與智能手機(jī)相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)用藥期間對(duì)淚液中蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)的實(shí)時(shí)分析[43];此外,還可以探索淚液中未曾被分析過(guò)的生物標(biāo)記物,這些都將為疾病診斷和個(gè)性化醫(yī)療提供新策略。

最后,無(wú)論是微流控器官芯片還是用于即時(shí)檢測(cè)的微流控芯片,均尚未實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)、制備及檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化[15],而且其制造成本昂貴,產(chǎn)業(yè)化程度低。標(biāo)準(zhǔn)化微流控芯片的流道設(shè)計(jì)、加工技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)是推動(dòng)微流控芯片產(chǎn)業(yè)化的重要前提,也是促進(jìn)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突