器官芯片综述

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器官芯片（ORGAN ON CHIP）是复制生物器官关键功能的微型工程仿生系统。这些微器件提供了比传统细胞培养更精确的模型，用于模拟复杂的细胞 - 细胞和细胞 - 基质相互作用。因此，它们可能代表了制药和化学应用非常有趣的工具。它们还允许研究特定器官的人体生理学，从而能够开发新的体外疾病模型。

从3D细胞培养到芯片上的器官

在3D细胞培养中，细胞在人工创造的微环境中培养，使它们能够在所有三个维度上生长并与周围环境相互作用。它们是可提供三维细胞培养的优势几种培养工具，，如细胞外基质或支架，旋转式生物反应器，微载体或悬滴板。

3D细胞培养为细胞提供了比常规2D细胞培养物更加类似于体内微环境的微环境，增强了分化功能的表达并改善了组织结构。因此3D球体是细胞迁移，分化和生长的改进模型。此外，在三维中培养的细胞具有较好的极化程度，并表现出与二维培养细胞不同的基因表达水平。

例如，三维细胞培养可用于模拟健康和癌性乳房组织模型中的腺泡结构（类似多叶状浆果的细胞群，例如a raspberry, acinus is Latin for “berry）。这些球体比传统细胞培养更适合长期药物筛选。

然而，3D细胞培养不能再现对其功能至关重要的活体器官的特征，例如组织 - 组织界面（例如上皮细胞和血管上皮细胞之间），化学物质或氧梯度或微环境的机械作用。

器官芯片（ORGAN ON CHIP）利用微流体和微制造的优势来克服这些限制，以便更好地模拟活体器官的微观结构，动态力学性质和生化功能。

细胞生物学微细加工技术

器官芯片依靠两种核心技术。第一个是微流控技术，它可以处理少量的液体，并可以精确控制流体流量或创建浓度梯度。利用微流体技术，营养物质和其他化学信号可以以非常可控的方式传递。

第二个是微制造（光刻，复制模制，微接触印刷），非常适合于制造微结构，从而控制细胞的形状和功能。

早期的微系统使用硅微制造，导致复杂和昂贵的微制造过程。为了克服这个限制，研究人员开发了由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的微流体系统。PDMS具有多种特性，使其特别适用于制造细胞或组织培养用微器件。首先，PDMS具有丰富的气体渗透性，确保向微通道内的细胞供氧。这消除了对于硅，玻璃或塑料器件中的细胞培养通常需要的外部充氧器的需要。然后，由于其光学透明度，PDMS实现了活细胞成像。最后，PDMS非常灵活，可以使用芯片阀门或通过PDMS局部变形对细胞施加机械作用。

但是，PDMS也有缺点。PDMS用于细胞培养的主要缺点是PDMS倾向于吸附其表面上的小分子。

器官芯片模型

许多组织模型都是由工业或学术实验室开发的。这里我们提供一些关于器官芯片模型的简短概述。

肠道芯片

肠道器官芯片是一个非常重要的药物筛选模型。当口服给药时，药物主要被小肠吸收，然后通过两个屏障扩散：粘膜层和肠壁的上皮细胞层。肠道芯片是一个复杂的模型，应该考虑几个特征：细胞组成（主要是肠细胞和杯状细胞），结构特征（绒毛和粘液）和动态特征（肠道运动，称为蠕动）。

Kimura等建立了一个肠道模型，其中有两个独立的通道，由半透膜隔开，细胞接种和培养。

哈佛大学的Wyss研究所也以相同的原理实现了“gut-on-a-chip”，它也定期延伸以模仿肠道的蠕动运动。另外，研究人员能够在器官芯片上生长常见的肠道微生物。

肝脏芯片

肝脏芯片是评估药物毒性的关键因素。实际上，有一半的药物提取是由于急性肝毒性。

Midwoud等人开发了一种芯片上的微流体肝脏，将肝脏和肠道切片整合到隔室之间，在隔室之间连续灌注以研究机体间的相互作用。

肺芯片

肺上皮受到各种环境攻击，如病原体或污染。因此肺芯片将成为环境应用的优秀模型。

Huh等人在柔性膜上培养上皮细胞，肺泡上皮细胞和免疫细胞。将培养基泵入下部通道以模拟通过肺微血管的血流。两侧中空通道周期性地充气和放气以模拟生理呼吸运动。

肿瘤芯片

癌症研究面临的最大挑战之一是开发出针对癌细胞的药物，但要保留完好的健康细胞。

为建立肿瘤相关模型，包括多细胞球体、中空纤维和多细胞层模型，已开发出不同的策略。灌注系统用于向这些3D模型提供治疗药物，模拟血液供应给肿瘤细胞。

肌肉芯片

骨骼肌在糖尿病患者中起着重要的作用，因为它们对葡萄糖稳态的贡献。在芯片骨骼肌模型中，需要有结构特征(肌管对齐和装配到肉瘤)，以及植入电极来刺激肌肉收缩。

芯片上的肌管排列是通过衬底模式或刚度实现的。Kaji等通过微电极阵列对肌管的收缩性与葡萄糖摄取的正相关关系进行了研究。

多器官芯片

所有这些器官芯片都可以用来预测药物对整个身体的毒性。在这些动物芯片或人类芯片系统中，代表不同器官的多个芯片与通道相连。

然而，尽管这一领域取得了重大突破，但仍存在一些挑战，如使用人类的原始细胞代替癌细胞，监测细胞对刺激的反应，或控制微环境的质量(代谢物，氧饱和度，pH)的质量。