器官芯片簡介

器官芯片是復制活器官關鍵功能的微型工程仿生系統。它們為模擬復雜的細胞-細胞和細胞-基質相互作用提供了比傳統細胞培養更準確的模型。因此，它們可能是一種非常有趣的制藥和化學應用工具。它們還可以研究特定器官的人體生理學，從而能夠開發新的體外疾病模型。

在3D細胞培養中，細胞在人工創造的微環境中培養，使它們能夠在所有三個維度上生長并與周圍環境相互作用。它們是幾種提供3D細胞培養優勢的培養工具，如細胞外基質或支架、旋轉生物反應器、微載體或懸掛滴盤。
與傳統的2D細胞培養相比，3D細胞培養為細胞提供了更接近體內微環境的微環境，增強了分化功能的表達，改善了組織結構。因此，3D球體是細胞遷移、分化和生長的改進模型。此外，3D培養的細胞表現出更好的極化程度，并表現出與2D培養的細胞不同的基因表達水平。例如，3D細胞培養可以用來在健康和癌癥的乳腺組織模型中模擬腺泡結構(類似于多葉漿果的細胞團，如覆盆子，腺泡在拉丁語中是“漿果”的意思)。這些球體比傳統的細胞培養更適合于長期藥物篩選。

從3D細胞培養到器官芯片

然而，3D細胞培養無法再現對其功能至關重要的活器官的特征，如組織-組織界面(例如，上皮和血管上皮之間)、化學物質或氧氣梯度或微環境的機械作用。為了更好地模擬生物器官的微觀結構、動態機械性能和生化功能，芯片上的器官利用微流體和微制造的優點來克服這些限制。

細胞生物學的微細加工技術

器官芯片依賴于兩項核心技術。第一種是微流體，它可以操縱少量的液體，并可以精確地控制流體流動或產生濃度梯度。有了微流控技術，營養素和其他化學線索可以以一種非常受控的方式傳遞。第二種是微制造(光刻、復制模塑、微接觸印刷)，它非常適合于創建微結構，從而允許控制細胞的形狀和功能。

早期的微系統使用硅微制造，導致復雜而昂貴的微制造工藝。為了克服這一限制，研究人員開發了由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的微流控系統。PDMS具有幾個特性，使其特別適合于制造用于細胞或組織培養的微型設備。首先，PDMS具有豐富的氣體滲透性，確保微通道內細胞的氧氣供應。這消除了對外部氧合器的需要，而在硅、玻璃或塑料設備中培養細胞通常需要外部氧合器。然后，由于其光學透明性，PDMS能夠進行活細胞成像。最后，PDMS非常靈活，允許使用芯片上的閥門或通過PDMS的局部變形對電池施加機械作用。然而，PDMS也有缺點。用于細胞培養的PDMS的主要缺點是其表面傾向于吸附小分子。有關更多信息，請參閱我們對生物學中的PDMS的評論。

芯片上的器官模型

工業或學術實驗室已經開發了廣泛的組織模型。在這里，我們提供一些芯片上器官模型的簡短概述。

腸道芯片模型

這種芯片上的器官是藥物篩選的一個非常重要的模型。口服給藥時，藥物主要被小腸吸收，然后通過兩個屏障擴散：粘液層和腸壁上皮細胞層。芯片上的腸是一個復雜的模型，應該考慮幾個特征：細胞組成(主要是腸細胞和杯狀細胞)、結構特征(絨毛和粘液)和動態特征(腸道運動，稱為蠕動)。

Kimura等人創建了一個腸道模型，該模型有兩個獨立的通道，由半透膜隔開，細胞接種和培養在該膜上。
哈佛大學的懷斯研究所也利用同樣的原理實現了一種“芯片上的腸道”，它也可以周期性地伸展，以模擬腸道的蠕動。此外，研究人員還能夠在這個芯片器官內培養出常見的腸道微生物。

肝臟器官芯片

肝器官芯片是評估藥物毒性的關鍵因素。事實上，一半的藥物停藥是因為急性肝毒性。
Midwoud等人開發了一種芯片上的微流控肝臟，它將肝臟和腸道切片整合到隔室中，并在隔室之間順序灌流，以研究器官間的相互作用。

肺器官芯片

肺上皮細胞受到廣泛的環境攻擊，如病原體或污染。因此，肺器官芯片將是環境應用的一個很好的模型。Huh等人在柔性膜上培養上皮、肺泡上皮和免疫細胞。在下通道中泵入培養液以模擬通過肺微血管的血液流動。兩側的中空通道周期性地充氣和放氣，以模擬生理呼吸運動。

腫瘤微流控芯片

癌癥研究面臨的最大挑戰之一是開發針對癌細胞但不影響健康細胞的藥物。已經開發了不同的策略來創建相關的腫瘤模型，包括多細胞球體模型、中空纖維模型和多細胞層模型。灌流系統被用來向這些3D模型輸送治療劑，模擬腫瘤細胞的血液供應。

肌肉微流控芯片

骨骼肌在糖尿病中起著重要作用，因為它們對血糖穩態有貢獻。芯片上的骨骼肌模型需要結構特征(肌管對齊和組裝成肌角)和嵌入電極的存在來刺激肌肉收縮。芯片上肌管的對準是通過襯底圖案化或剛性來實現的。Kaji等人通過使用微電極陣列單獨控制肌管，證明了肌管的收縮能力和葡萄糖攝取之間的正相關。

多種多樣的器官芯片

所有這些芯片上的器官都可以用來預測藥物對全身的毒性。在這些片上動物或片上人系統中，代表不同器官的多個芯片通過通道連接。然而，盡管在這一領域取得了重大突破，但仍存在一些挑戰，如使用人類原代細胞代替癌細胞系，監測細胞對刺激的反應，或控制微環境的質量(代謝物、氧氣飽和度、pH)。