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導(dǎo) 讀

本篇主要詳細(xì)解讀器官芯片的實(shí)際應(yīng)用，涉及肺器官芯片、血腦屏障芯片、腫瘤芯片、肝芯片、腎芯片及多器官芯片的應(yīng)用場(chǎng)景。

器官芯片實(shí)際應(yīng)用

（一）肺器官芯片

肺芯片系統(tǒng)包括一個(gè)肺泡屏障和模擬呼吸的循環(huán)拉伸結(jié)構(gòu)，以模擬呼吸過程肺泡運(yùn)動(dòng)。

該芯片模型分為上下兩層，中間被生物膜所分開，上層為肺細(xì)胞，流通的是空氣，而在下層為肺毛細(xì)血管細(xì)胞，流通培養(yǎng)液。兩邊為真空側(cè)室，抽真空時(shí)側(cè)室收縮，拉伸中央薄膜及其上組織，模仿肺細(xì)胞呼吸時(shí)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)培養(yǎng)皿不可能實(shí)現(xiàn)的呼吸功能，是肺部器官體外生理功能的極佳模型。

該模型研究了周期性應(yīng)力對(duì)氣血屏障滲透性的影像。進(jìn)一步引入白細(xì)胞介素-2，成功建立了肺水腫病理學(xué)模型。GSK公司基于此模型驗(yàn)證TRPV4抑制劑在抑制肺水腫上有較好的療效。

圖 1

（二）血腦屏障芯片

血腦屏障（BBB）是人腦中介于血液和腦組織之間的一道重要的生理性屏障，是一種高度選擇性的屏障，使大多數(shù)藥物分子難以進(jìn)入腦組織，一定程度上限制了針對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病（帕金森、阿爾茲海默證）藥物的研究與開發(fā)。

血腦屏障芯片在多孔薄膜兩側(cè)分別培養(yǎng)血管（內(nèi)皮細(xì)胞）和腦組織細(xì)胞（周細(xì)胞，星形細(xì)胞，神經(jīng)元），并仿真控制血液流體等要素，來模擬血腦屏障。通過在血管通道中加入待測(cè)物質(zhì)，檢測(cè)另一側(cè)濃度或其他變化。開展細(xì)胞與細(xì)胞之間的物質(zhì)交換和信號(hào)傳遞、藥物傳遞、藥物對(duì)細(xì)胞的影響等研究。

圖 10

（三）其他器官芯片

1．腫瘤芯片

傳統(tǒng)的腫瘤模型多為單一腫瘤2D細(xì)胞系, 不足以模擬體內(nèi)腫瘤的真實(shí)情況。即便3D培養(yǎng)的細(xì)胞組織，仍然缺乏組織-組織界面、器官水平結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)和機(jī)械信號(hào)。

器官芯片可重建腫瘤微環(huán)境，觀察腫瘤細(xì)胞的增殖和遷移行為，以及與周圍組織的相互作用。應(yīng)用于藥物研發(fā)，可顯著提高了對(duì)腫瘤患者抗癌藥物臨床療效預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。因而成為最受藥物研發(fā)機(jī)構(gòu)所關(guān)注的器官芯片模型。

2．肝芯片

肝臟是人體重要的毒素、藥物代謝器官，由具有復(fù)雜多細(xì)胞組織和管道結(jié)構(gòu)的肝小葉構(gòu)成。目前，肝芯片研究主要集中于建立多種細(xì)胞組成的功能化肝組織生理學(xué)模型，如膽小管、肝小葉和肝血竇等，更好地實(shí)現(xiàn)肝組織功能化并集成高通量分析。

目前，F(xiàn)DA已開始對(duì)肝臟芯片進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，以便未來審批某些被證明有毒的化合物時(shí)（如食品添加劑），可以利用芯片來代替動(dòng)物毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)。

3．腎芯片

腎臟是人體重要的排泄器官，對(duì)維持體內(nèi)滲透壓與自穩(wěn)態(tài)有重要的作用，也是藥物代謝的主要器官。腎單位是腎臟的結(jié)構(gòu)單位，由腎小球、腎小囊和腎小管共同構(gòu)成，也是腎臟發(fā)揮濾過與重吸收功能的基礎(chǔ)。腎芯片研究主要集中在腎單位結(jié)構(gòu)和功能的模擬，以及在此基礎(chǔ)上的腎病病理微環(huán)境模擬、疾病機(jī)制研究、藥物作用及代謝研究。

（四）多器官芯片

人體內(nèi)的生理功能是多個(gè)器官的相互作用的結(jié)果, 器官芯片的另一發(fā)展方向是在同一張芯片上集成多個(gè)器官模型，并彼此溝通, 即多器官芯片或稱人體芯片(human-on-a-chip)。

多器官芯片在芯片上不同區(qū)域構(gòu)建不同組織器官，并通過芯片管道（模擬人體血管）相連接，模擬人體對(duì)特定物質(zhì)的吸收、代謝、轉(zhuǎn)化和排泄過程。能夠更真實(shí)反映人體藥物反應(yīng)，并最終勘察出藥物對(duì)不同器官或整個(gè)系統(tǒng)的藥理和毒性作用。

多器官芯片模型近幾年來受到科研人員的重點(diǎn)關(guān)注，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了腸-腎芯片、肝-腸芯片、心-肝芯片和神經(jīng)-肌肉芯片等多器官芯片的構(gòu)建。如，下圖為腸、肝、皮膚、腎4個(gè)器官的多器官芯片模型，用于體外評(píng)估候選藥物的安全性和有效性。

圖 11