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導(dǎo) 讀

 

本篇主要摘要介紹器官芯片的商業(yè)背景、發(fā)展優(yōu)勢及應(yīng)用，詳細介紹了器官芯片的技術(shù)與制造，包括材料、加工與細胞培養(yǎng)。

 

器官芯片背景及優(yōu)勢

 

（一）器官芯片定義

 

器官芯片（Organs-on-chips）：即模擬器官及器官系統(tǒng)活動、生理反應(yīng)等的多通道微流體3D細胞培養(yǎng)微系統(tǒng)。

 

組成：在塑料、玻璃或柔性聚合物等芯片基材上，通過微加工技術(shù)構(gòu)造腔體與流道的微結(jié)構(gòu)。腔內(nèi)模擬人體微環(huán)境，并種植細胞，培養(yǎng)成具有一定功能的組織單元。基材微陣列結(jié)構(gòu)、組織細胞以及物理化學(xué)微環(huán)境共同構(gòu)成器官芯片。

 

應(yīng)用：在構(gòu)建人體生理模型、藥物研發(fā)及毒理學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用，尤其應(yīng)用于高通量藥物篩選和開發(fā)，能夠加速新藥的開發(fā)并降低成本。

 

圖 1

 

（二）器官芯片商業(yè)背景

 

新藥研發(fā)的臨床試驗失敗率很高。候選藥物在通過動物試驗后仍有近九成概率在臨床試驗中失敗。海外統(tǒng)計單一新藥平均開發(fā)成本逾10億美金，其中失敗候選藥物所耗費成本占據(jù)相當(dāng)比例(45%)。且過往簡單的疾病模型越來越難以勝任創(chuàng)新藥物模擬。

 

體外細胞培養(yǎng)模型過于簡單，單一組織細胞直接暴露在藥物中。忽略了器官及不同細胞間代謝物、激素以及免疫調(diào)節(jié)劑等化學(xué)物質(zhì)的交換。因此，這種模型往往不能對人體應(yīng)答進行完整評估。

 

動物模型屬于完整個體模型，但種屬差異會帶來細胞、遺傳、免疫水平以及藥代動力學(xué)方面的巨大差異，較難從動物模型來準確推斷人體對藥物的真實反應(yīng)。且諸如帕金森、新冠等疾病沒有相關(guān)的動物模型。

 

圖 2

 

（三）器官芯片優(yōu)勢

 

應(yīng)用器官芯片對臨床前藥物進行篩選，可預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在藥物的療效和副反應(yīng)，從而更好的選擇進入臨床試驗的候選藥物，將成功率從10%提高到30%，降低藥物研發(fā)成本。雖然現(xiàn)階段該系統(tǒng)尚不完善，但相比動物和體外細胞培養(yǎng)更有發(fā)展前景。

 

未來發(fā)展方向：

 

可控制細胞和特定組織結(jié)構(gòu)，模擬化學(xué)梯度、流動、力學(xué)等，重現(xiàn)原生環(huán)境。

多器官芯片可模擬不同器官間的協(xié)同作用或相互影響，提高模型真實度。

芯片結(jié)構(gòu)便于即時觀察，納入標志物及功能傳感器，還可監(jiān)測動態(tài)進程。

小型化、集成化，有利于高通量測試，加速實驗研究、降低成本。

相比于動物實驗，器官芯片采用同種同類細胞，特異性更佳。

 

圖 3

 

數(shù)據(jù)來源：高特佳

 

（四）器官芯片應(yīng)用

 

科學(xué)研究：構(gòu)建生理和疾病模型，進行機理研究；

精準醫(yī)療：臨床指導(dǎo)個性化用藥，如腫瘤藥物選擇；

藥物開發(fā)：可貫穿從藥物篩選、藥理藥效、毒理試驗等全過程。

 

圖 4

 

圖 5

 

器官芯片技術(shù)與制造

 

（一）器官芯片關(guān)鍵技術(shù)

 

器官芯片屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域：要系統(tǒng)性的設(shè)計結(jié)構(gòu)功能、材料、工藝、細胞培養(yǎng)、檢測分析等問題。

 

材料學(xué)技術(shù)。是芯片的基礎(chǔ)，要求材料滿足生物相容性、力學(xué)性能、光學(xué)性能、易加工、成本適宜等要求；早期多采硅片、玻璃，加工復(fù)雜，后應(yīng)用PMDA (聚二甲基硅氧烷)，氣體滲透性好，光學(xué)性能好、力學(xué)拉伸性佳，但缺點是會吸附小分子物質(zhì)。

 

微流控技術(shù)。精確控制微量流體，甚至創(chuàng)建濃度梯度，利用微流體技術(shù)使營養(yǎng)物質(zhì)和其它化學(xué)信號以可控的方式運動和傳遞；結(jié)合結(jié)構(gòu)和材料等條件，選擇精密注塑、光刻、微接觸印刷等適宜的微加工方法制造微結(jié)構(gòu)，除了結(jié)構(gòu)性能外，良率和成本也是實現(xiàn)商業(yè)化的重要指標。

 

細胞培養(yǎng)技術(shù)。要實現(xiàn)器官芯片功能需要某一器官內(nèi)的多種組織細胞，甚至不同器官組織的相互配合，往往在空間構(gòu)型上也有著具體要求，才能實現(xiàn)功能以模擬體內(nèi)組織的行為和反應(yīng)；需要對相關(guān)細胞進行分離，并以正確的比例和位置構(gòu)建成器官芯片。但每種細胞類型都需要特定的分離方案和培養(yǎng)條件。芯片內(nèi)類器官培養(yǎng)的成功率、穩(wěn)定性是非常重要的指標。

 

但是器官芯片依舊存在各個器官芯片標準不統(tǒng)一，缺乏相互間橫向比較和缺少自動化標準化的過程和檢測儀器的問題。

 

（二）器官芯片制造-材料

 

材料是器官芯片加工制備的基礎(chǔ), 常見有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃、硅、有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯, PMMA)等。

 

最常見的是PDMS材料，優(yōu)點是無毒, 化學(xué)惰性, 光學(xué)透明, 成本低廉，且具有一定彈性，通過改變成分可以調(diào)控剛度。主要缺點是表面比較疏水, 細胞黏附不佳, 通常會在其表面修飾一層纖連蛋白或水凝膠, 促進細胞的貼壁生長。另外PDMS會吸收小分子物質(zhì), 如果進行藥物篩選, 應(yīng)考慮其吸收問題。

 

玻璃和硅材料的主要優(yōu)勢是可采用標準的微納加工工藝(如光刻、刻蝕等), 加工成形精度高(可達納米級), 并且具有較好的生物兼容性，但需要專業(yè)的加工設(shè)備，加工成本高。另外硅透光性差，對芯片組織進行直接觀察困難。

 

圖 6

 

（三）器官芯片制造-加工

 

設(shè)計過程中要根據(jù)器官芯片的結(jié)構(gòu)、功能和材料的不同, 采用不同的加工制造工藝。

 

目前主流的加工方法包括：光刻法、模塑法、微接觸壓印法、激光刻蝕法、機械加工以及3D打印等，如下圖所示：

 

 

圖 7

 

 

圖 8

 

（四）器官芯片制造-細胞

 

1．細胞來源：

 

永生細胞系：最常見，形態(tài)均一、生長穩(wěn)定、可直接購買。但特異性低。

原代細胞：從機體中取出后用于培養(yǎng)的細胞，具有個體差異性能夠更好地反映個體生理狀態(tài)，難點在于細胞培養(yǎng)。

干細胞：在合適條件下分化成特定的目標細胞。分化的細胞攜帶的遺傳信息與在體相同，可反映個體的差異性。

 

2．培養(yǎng)形態(tài)：

 

二維組織：將細胞懸液直接通入芯片中, 細胞沉降在微流道內(nèi)并貼壁生長,形成二維平面結(jié)構(gòu)。制備比較簡單。

 

三維組織：常見的方式是采用水凝膠等材料作為細胞外基質(zhì), 待其交聯(lián)后形成三維多孔網(wǎng)絡(luò)并將細胞固定在內(nèi)部, 從而形成三維微組織。也可使用懸掛液滴法制備。三維組織更接近人體真實情況。

 

3．種植方式：

 

定點滴加法：采用移液槍等工具將細胞懸液或者和水凝膠混合物滴加到特定位置。

捕獲收集法：采用重力、電場力、毛細力等外力或者采用幾何結(jié)構(gòu)約束等將細胞(或微組織)捕獲收集到特定的區(qū)域并進行后續(xù)的培養(yǎng)。

 

4．細胞種類：

 

單一種類細胞培養(yǎng)；多種細胞共培養(yǎng)（常用多孔薄膜對不同種類細胞隔離）。

 

5．培養(yǎng)方式：

 

靜態(tài)培養(yǎng)：芯片結(jié)構(gòu)簡單，但需要經(jīng)常換液。

動態(tài)培養(yǎng)：可控性高且易于自動化培養(yǎng)。