器官芯片：近期突破和未来展望

摘要

芯片器官(OOAC)是十大新兴技术之一，指的是建立在微流控芯片上的生理器官仿生系统。通过细胞生物学、工程学和生物材料技术的结合，芯片的微环境在组织界面和机械刺激方面模拟了器官的微环境。这反映了人体组织的结构和功能特征，并可以预测对包括药物反应和环境影响在内的一系列刺激的反应。OOAC在精准医学和生物防御策略中有着广泛的应用。本文介绍了OOAC的概念，并从不同器官的角度综述了OOAC在生理模型构建、药物开发、毒理学等方面的应用。我们进一步讨论了存在的挑战，并对其应用提供了未来的展望。

背景

微流体学是一门精确操纵和处理微尺度流体的科学技术。它通常用于精确控制微流控(10−9到10−18 L)流体，使用的通道大小从几十微米到几百微米，被称为“芯片实验室”。微通道很小，但具有较大的表面积和高传质能力，有利于其在微流控技术应用中的应用，包括试剂使用量低、体积可控、混合速度快、响应快以及物理化学性质的精确控制。微流控集样品制备、反应、分离、检测和细胞培养、分选和细胞裂解等基本操作单元于一体，出于这些原因，人们对OOAC的兴趣增强了。OOAC结合了一系  列化学、生物和材料科学学科，并被世界经济论坛选为“十大新兴技术”之一。
OOAC是一种仿生系统，可以模拟生理器官的环境，具有调节关键参数的能力，包括浓度梯度、剪切力、细胞构型、组织边界和组织-器官相互作用。OOAC的主要目标是模拟人体器官的生理环境。
人体生理学是研究人体及其器官系统功能的科学。这对于我们理解人体的功能障碍和发病机制具有重要意义，因此与医学、药物开发和毒理学领域密切相关。研究人类生理学最相关和最直接的方法是研究人体或模型生物的活体实验。身体的功能依赖于许多较低层次的组成部分的相互作用和适应，如组织、细胞、蛋白质和基因。因此，仅仅通过活体研究来揭示生理现象的潜在机制是具有挑战性的。此外，药物开发和毒理学需要评估数千种化合物的生理效应。由于体内测试的低通量的限制，生物学家使用体外细胞培养。细胞培养是指细胞在受控环境中的生长和维持。几十年来，传统的二维(2D)细胞培养系统形成了生命科学研究的重要平台。利用2D系统，通过培养细胞或细胞产品来研究各种细胞的功能。然而，2D系统不能准确地模拟活体组织/器官、器官内相互作用和微环境因素的生理表现，通常需要在活体动物模型中进行验证。由于物种差异，动物实验往往无法复制人体实验，而且由于高昂的成本和伦问题，使用动物作为药物测试的模型受到了审查。在临床前试验中，对人体组织环境的不充分描述可能导致对整体组织功能的综合影响的不准确预测。OOAC旨在通过提供更多生理模型系统来克服这些缺点。OOAC被认为是未来实验动物模型的替代技术。
本文介绍了OOAC技术的最新进展，并对其在细胞生物学评价中的应用前景进行了讨论。

器官芯片的设计理念和关键部件

设计理念

培养系统需要控制细胞内外环境。OOAC与微加工和细胞生物学相结合，可以控制外部参数并准确模拟生理环境。芯片上需要动态机械应力、流体剪切和浓度梯度。细胞图案化也应该实现，以充分反映生理过程。

流体剪切力
      微流体可以通过微泵灌流实现细胞的动态培养，这有助于营养物质的管理和废物的及时排放。细胞所处的动态环境比静态培养更接近体内条件。此外，流体剪应力还会引起器官的极性。重要的是，OOAC通过激活细胞表面分子和相关的信号级联，对内皮细胞的正常生物功能施加必要的物理压力。同样，在OOAC设备中加入液体可以在单个器官层面进行生物学评估。OOAC系统总结了通过芯片上简单的“摇杆”流体运动，或通过更复杂的可编程的“脉动”格式的流动，为组织特定的配置安排在单个循环中。

浓度梯度
      在微观尺度上，流体主要以层流形式流动，导致生化分子的稳定梯度，在空间和时间上都受到控制。由浓度梯度驱动的各种生化信号存在于生物现象中，包括血管生成、侵袭和迁移。微流体通过微阀和微泵改变流量和通道几何形状，模拟人体内复杂的生理过程，从而实现稳定的三维生化浓度梯度。

动态机械应力

正常的日常器官压力包括血压、肺压和骨压。这些压力在维持骨骼肌、骨骼、软骨和血管等机械应力组织方面发挥着重要作用。微流体使弹性多孔膜能够产生周期性的机械应力。这种机械刺激被认为是生理过程中分化的关键决定因素。

细胞构图
       人体的组织需要复杂有序的多个细胞的排列，以形成一个功能完整的全身相互作用。微流体控制细胞构型，用于构建复杂几何结构的体外生理模型。表面修饰、模板和3D打印有助于芯片上的单元图案化。3D打印方法允许形成具有复杂通道的水凝胶支架，从而实现多尺度细胞图案化。3D打印的优势是允许用户定义的数字面具提供细胞图案的多功能性，这对于体外重建细胞微环境至关重要。Li等人。开发了使用受控的拓扑操作在玻璃芯片上实现快速异型细胞图案化的方法。这种方法在一块玻璃芯片上结合了聚醋酸乙烯酯涂层、二氧化碳激光消融和连续细胞种子技术。这种方法可以实现受控的上皮-间充质相互作用。此外，具有类似特性的间充质细胞也可以在玻璃片上图案化。该方法可用于皮肤上皮-间充质相互作用的大规模研究和药物检测，也可用于其他细胞的图案化。

关键组件
       OOAC涉及四个关键组成部分，包括(1)微流体；(2)活细胞组织；(3)刺激或药物输送；以及(4)传感器。微流控部件是指使用微流控将靶细胞输送到预先指定的位置，并且包括在培养过程中的培养液输入和废液排放系统。通常，该组件的特点是小型化、集成化和自动化。活细胞组织组件是指在2D或3D系统的情况下空间对准特定细胞类型的组件。3D排列通常是通过添加水凝胶等生物兼容材料来创建的。这些材料可以防止机械损伤，并形成立体排列。尽管与2D模型相比，3D组织结构更准确地模拟了体内的情况，但由于技术和成本的限制以及细胞外基质的组装和血管系统的预置和形成，器官组织中的活细胞大多仍是在2D模型中培养的。对于某些组织，需要物理或化学信号来模拟生理微环境，从而促进微组织的成熟和功能。例如，电刺激可以帮助心肌组织成熟。不同的信号刺激可用于药物筛选方法，用于检测和编译数据的传感组件可以是嵌入式传感输出组件或基于透明芯片的视觉功能评估系统。使用自动化系统对多细胞OOAC进行成像，产生详细的细胞表型和用于测量的统计模型。凯恩等人。开发了一种在3D微流体环境中监测细胞的细胞系统。这些检测以延时成像显微镜为特色，通过质量控制来评估细胞的电活动。一个有意义的芯片上人细胞模型，如果没有微型传感器对系统中特征点的代谢状态的读取，就无法描述和访问。

新兴的OOAC技术

肝脏OOAC
       肝脏系统是药物/毒素代谢的主要部位。肝脏由一系列复杂的肝小叶组成，这些小叶提供多细胞功能通讯。在较长的时间内维持肝细胞的生理学是具有挑战性的。凯恩等人设计了第一个基于肝脏的系统，该系统由微流控微孔组成，其中3T3-J2成纤维细胞和大鼠肝细胞共培养以模拟呼吸道界面(图1)。在芯片中培养的大鼠肝细胞可以持续稳定地合成白蛋白并进行代谢。Lee等人设计了一种反映内皮细胞和培养的原代肝细胞间质结构的芯片，在缝隙外灌入培养液。这种可渗透的内皮间隙将以索状结构为基础的肝细胞隔开，允许它们与外部血窦区域分离，同时保持有效的物质交换。Ho等人使用电泳法产生的径向电场梯度将细胞图案化到圆形聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片上。这些新技术模拟了肝脏小叶的结构。Hegde等人制作了一个2层芯片，该芯片使用多孔的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜分离通道，并通过上腔将胶原和纤维连接蛋白磨碎的大鼠原代肝细胞连续灌流到下通道中。

基于DLM的单芯片肝脏肿瘤示意图。A：从天然肝脏制备DLM溶液；B: 设备各种组件(顶部和底部、顶部和底部微通道、PET膜、进气口和出气口)及其各自尺寸的3D示意图

为了改进生理模型，微流控芯片采用了3D肝细胞培养技术。Ma等人制作了肝脏球体原位灌流的仿生平台。Yum等人生产了研究肝细胞如何影响其他类型细胞的系统，高通量检测是用来评估肝细胞药物毒性的。Riahi等人生产了微流控电化学芯片免疫传感器，用于检测肝脏毒性过程中产生的生物标志物。Chong等人通过评估代谢物的产生和抗原提呈细胞(APC)的激活，制作了监测药物皮肤致敏的化验。该系统具有作为药物筛选平台的价值，以识别产生全身皮肤反应的化合物。卢等人通过将脱细胞肝基质(DLM)与明胶甲基丙烯酰基(GelMA)相结合来反映三维肿瘤微环境(TME)，开发了仿生肝肿瘤。该系统为未来的一系列抗癌药理研究提供了改进的疾病模型。此外，还测试了一些疾病或受伤状态。康等人使用他们的系统分析了乙肝病毒的病毒复制。周等人开发了一个用于模拟酒精损伤的系统。在代谢组学、蛋白质组学、基因组学和表观基因组分析中对培养细胞质的进一步表征将有助于改善这些研究的功能结果。

肺器官芯片
肺内的气体交换由肺泡调节，肺泡在体外繁殖可能是一种挑战。微流体可以通过精确的流体流动和持续的气体交换来建立体外肺模型和肺病理。目前的研究主要集中在呼吸道机械压力的调节、血-血屏障(BBB)和剪切力对病理生理过程的影响。哈等人制作了芯片上肺模型，使用软光刻技术将芯片分成多个区域，这些区域由带有细胞外基质的10μm PDMS膜分隔。PDMS上部有肺泡上皮细胞，而下部有人肺微血管内皮细胞，因此模拟了肺泡-毛细血管屏障。在真空下改变膜的结构，以模拟呼吸过程中肺泡的扩张/收缩。炎症刺激通过中性粒细胞进入系统，中性粒细胞被传递到液体通道。这通过引入白细胞介素2(IL-2)产生了肺水肿的病理模型。这突显了OOAC模型在改进当前体内分析方面的效用。

肺器官芯片：A，利用间隔的PDMS微通道，在涂有ECM的多孔柔性PDMS膜上形成了肺泡-毛细血管屏障。该装置通过真空复制呼吸运动，导致机械拉伸和形成肺泡-毛细血管屏障；B吸入后，隔膜收缩，降低胸膜压力。肺泡-毛细血管界面因肺泡张力而拉伸；C装置发育：血浆暴露后，上下通道之间的多孔膜不可逆转地结合；D PDMS穿过通道一侧，然后在真空压力下被移除。E设备的实际图像

2015年，Stucki等人报告了一个模仿肺实质的肺芯片。该系统包括一个肺泡屏障和模拟呼吸的3D循环应变，代表了第一个模拟呼吸的弹性膜扩张模型。Blume等人制作了3D呼吸道培养模型，模拟了通过液体和介质交换的肺间质流动。这使得对上皮屏障进行更深入的生理学研究成为可能。该模型使用带有可渗透过滤器的支架作为单个组织培养腔，并结合多个腔以提高集成度。在芯片肺中，在通过微流体系统模拟肺气液界面和呼吸扩张的同时，可以对肺泡和连接的毛细血管施加压力，提供剪切流分布。这逼真地模拟了肺部环境。Humayun等人在水凝胶膜的不同侧培养呼吸道上皮细胞和平滑肌细胞，以评估其作为生理模型的适宜性。该系统与微环境线索和毒素暴露相结合，作为慢性肺部疾病的生理模型。Yang等人制备了聚(乳酸-乙醇酸)(PLGA)电纺纳米纤维膜，作为细胞支架的芯片基质。鉴于该系统的简便性，它适用于肺肿瘤的精确治疗，并强调了组织工程的方法。
      肺组织器官芯片作为植入式呼吸辅助装置很有用。彭等人设计了肺辅助装置(LAD)，允许早产儿在呼吸衰竭期间在胎盘中进行额外的气体交换。在脐动脉和静脉中实现了大口径通道的概念，为LAD提供了高水平的体外血流。这增加了效用，因为脐血管扩张阈值的临床试验是不道德的。这项研究首次系统地量化了导管扩张对脐带血管的损害。Dabaghi等人采用双面送气方式对微流控血液氧合器进行了微细加工，以改善气体交换。与单面装置相比，摄氧量增加到343%。Xu等人使用微流控芯片平台模拟肺癌细胞系和原代癌细胞的微环境，并测试不同的化疗药物。最近的另一项研究在“芯片上的小气道”模型中模拟哮喘。利用人类哮喘和慢性阻塞性肺疾病的呼吸道模型，测试了治疗方法，并概括了芯片模型对类似治疗的体内反应。

肾脏OOAC
      肾脏负责维持药物的渗透压排泄。肾毒性导致不可逆转的肾滤过丧失，凸显了药物筛选系统的必要性。滤过和重吸收发生在由肾小球、肾被膜和肾小管组成的肾单位。微流体可以模拟支持肾小管细胞生长的流体环境，并为维持细胞极性提供多孔膜支持。
Jang等人制造了第一个多层微流控系统(图3A)，其中使用小鼠肾脏髓质集合管细胞来模拟肾滤过。该装置提供了一个仿生环境，通过促进细胞骨架重组和分子运输来响应激素刺激，增强内髓集合管的极性。2013年，同样的微流控设备被用于培养人的原代肾上皮细胞。这是对原代肾脏细胞的第一次毒性研究。该设备能够以传统细胞培养或动物模型所不可能的方式，直接可视化和定量分析完整肾小管的各种生物学过程，并可能被证明有助于研究肾脏功能和疾病的基本分子机制。

A:肾小管芯片。PDMS通道、多孔膜和PDMS储存库的夹层组装B通道可以复制肾小球的尿腔和毛细血管腔。多孔柔性PDMS膜可以用来功能化蛋白层粘连蛋白，以模拟肾小球基底膜。可以通过对柔性PDMS膜的真空拉伸来产生对细胞层的循环机械压力

传统细胞培养系统的缺点是，细胞分化为功能细胞需要延长培养时间和外部信号检测系统，Musah等人描述了在器官培养设备中诱导多能干细胞来源的足细胞形成人肾小球芯片(图3B)的方法。这些模拟了肾小球毛细血管壁的结构和功能，这是以前使用的方法不可能做到的。该芯片适用于肾毒性评估、治疗开发、再生医学以及肾脏开发和疾病。Sakolish等人在人体近端小管和肾小球中制造了一种可重复使用的微流控芯片，使肾上皮细胞能够在各种条件下生长。剪切力会引起肾毒性。Schutgen等人设计了稳定的小管培养系统，允许扩展扩张和人体肾组织分析。基于该系统，开发了一个多用途的原代肾上皮细胞培养模型，使快速和个性化的分子和细胞分析、疾病建模和药物筛选成为可能。陶等人]提出了一种从人诱导的多能干细胞中产生人胰岛类器官的有效策略。该策略适用于以干细胞为基础的有机工程和再生医学的一系列应用。

心脏器官芯片
       心血管死亡是人类死亡的主要原因。微流体的出现使心脏组织的体外仿生研究成为可能。心肌是心脏的主要组成部分。心肌细胞(CM)的搏动可用于直接评估药物效果，并与心脏搏动直接相关。2012年，Grosberg等人用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成具有表面纹理的弹性膜，并将新生大鼠CMS植入膜上形成肌膜。随着CMS的收缩，肌肉膜向一侧卷曲。通过测量这种卷曲的程度，可以分析PDMS膜上细胞收缩能力的大小的差异。该实验系统既适用于单一肌膜的检测，也适用于高通量的自动化多平板检测。随后，在2013年，张等人利用水凝胶在PDMS模型中制备自组装心肌片。CMS来源于分化后的心肌。微器官组织芯片是从3D打印技术中生产出来的，它允许心肌和血管系统的整合。该模型利用血管内皮细胞形成血管网络，并在血管网络缝隙中加入CMS。该器官芯片为心血管相关药物提供了一个筛选平台。

张等人介绍了一种使用高速阻抗检测来评估心脏药物疗效的单芯片心脏装置。该设备记录CMS的收缩，以揭示药物效应。该芯片代表了对药物心脏疗效的临床前评估。Marsano等人建立了模拟CMS生理和机械环境的心脏器官平台(图4)。直接进行可视化和定量分析，这在传统的细胞培养或动物模型中是不允许的。该平台代表了该领域的进步，并提供了标准的功能3D心脏模型。这使该设备成为一个创新和低成本的筛选平台，以提高体外模型的预测能力。施耐德设计了方便高效的芯片，可以在受控环境中基于人类诱导的多能干细胞生成心脏组织。在延长的时间内维持心肌组织的活性和功能，并对详细的时空脉动动力学进行光学检测。该平台可用于各种生物医学应用。此外，Tzatzalos等人报告称，HiPSC-CMS可代表健康和疾病特异性CMS评估扩张型心肌病药物疗效的无限潜力。药物开发方面的这些进展对心血管组织具有重要影响，因为心脏毒性经常出现在药物试验中，这是临床试验暂停或药物退出市场的主要原因之一。

3D心脏器官芯片，采用两个独立的PDMS微室。CM位于中央通道中以形成3D构造，而介质通过侧通道被替换；B：隔室的下端被加压以使PDMS膜变形并压缩3D结构。压缩被转化为施加到3D单元结构上的单轴应变；C:PDMS层被对准并不可逆地结合。培养腔中存在上层，驱动腔代表下层；D:3D插图；E: 真实芯片；F:芯片横截面的扫描电镜图像

肠道器官芯片
      口服药物必须横穿小肠才能进入血液，绒毛是吸收的关键，它们的形态必须在芯片上保持。Imura等人开发了模拟肠道系统的芯片，由玻璃玻片透膜和含有通道的PDMS片组成。在芯片上培养Caco-2细胞。Sung等人制造了第一个模拟人类肠道绒毛的3D水凝胶结构。Kim等人生产的仿生设备(图5)，通过剪切力和循环应变重建肠道微环境。Caco-2细胞表现出较长的生长时间，并保持了人体肠道中的微生物菌群。肠道的复杂结构和生理学为药物筛选以及肠道微生物群、炎细胞和蠕动相关的机械变形在肠道疾病中的作用提供了一个平台。该设备允许探索肠道疾病的病因，并确定治疗目标和药物。这项研究展示了芯片上的肠在针对肠道细胞的个性化药物研究中的潜力。

A：芯片上肠道设备的插图；B: 该设备由透明的PDMS弹性体组成的图像；C: 通道的横断面图和显示多孔膜顶视图的正方形插图；D: 芯片上培养的肠道单层示意图(上图和相衬图像(下图)加(左)或减(右)机械应变(30%)；箭头指示方向)。E: 压力定量

肠细胞单独培养或与包括HUVECs在内的内皮细胞培养,基因组的保真度很低，所以芯片模仿了肠道功能。Kasendral等人结合肠道组织工程和OOAC技术建立人十二指肠的体外生物学模型。培养在芯片中的肠上皮细胞来自内窥镜活检或器官切除。这个芯片代表了最接近真实的十二指肠的模型，并复制了小肠的关键特征。最近的发现加强了我们对肠道微生物组和肠道形态的了解。

多器官芯片
      一系列的生理途径需要持续的介质循环和组织间的相互作用，单一器官芯片不能充分反映器官功能的复杂性、功能变化和完整性。“多器官芯片”，也被称为“人体芯片”同时构建了多个器官，引起了明显的研究关注。多器官芯片上同时培养不同器官和组织的细胞，这些细胞通过通道(仿生血管)连接起来，实现多器官整合，允许检查相互作用以建立系统。这些方法可分为静态、半静态和随机方法。静止的多个器官被集成到单个连接的设备中。在半静态系统中，器官通过流体网络与基于Transwell®的组织嵌入物连接。在灵活的系统中，各个特定器官的平台使用灵活的微通道相互连接。在这样的系统中，灵活的机制是有利的，并且重建了多个器官。虽然多器官芯片的概念还处于起步阶段，但已经取得了重大突破，包括两个器官、三个器官、四个器官和十器官芯片的设计。

2010年，Van等人是第一个在微流控装置中将肝脏和肠道结合在一起的人。肠和肝脏切片在芯片上发挥作用，并展示了其对器官相互作用的适用性，包括调节胆汁酸合成。这一系统使体外研究成为可能，并为器官之间的相互作用提供了观察点。自那以后，更多的器官被集中在单个芯片上。器官芯片需要保持稳定的液体连接，避免细菌污染，并在整个培养过程中监控细胞活性。随着芯片上器官数量的增加，系统的复杂性也会增强，不可避免地会导致不可预测的结果。简化现有系统对于实现更广泛的应用至关重要。Lee等人制造的无泵、用户友好的单芯片多器官，易于组装和操作。Satoh等人报道了一种在微板大小的气动压力驱动介质循环平台上形成的多吞吐量多器官芯片系统(图6)。该系统具有多个多器官培养单元同时运行、微流控网络设计灵活、移液管友好的液体处理界面、适用于微孔板中广泛使用的实验方案和分析方法等优点。这一多器官培养平台将成为药物发现的有利研究工具。

A: 多通道多器官平板系统；B: 包含4 × 4培养腔的培养装置的投影，通过X-X‘截面的培养腔显示；C: 用于8通道2器官系统和4通道4器官系统的微流控平板中的微流体网络的设计。八通道双器官系统和四通量四器官系统微流控板内微流控网络的设计。闭合圆圈表示通向微流控板顶表面的孔的位置。暗区和浅阴区分别为深部和浅部微流控通道。绿线环绕的区域代表流通文化单位。蓝色线条表示文化室的墙壁。出口周围的红色细线表示拉普拉斯阀门。D: 在双器官系统中利用气动压力进行三维介质循环。红色箭头表示媒体流的方向

OOAC的持续发展依赖于设计、建模、可制造性和可用性方面的进步。Lantada发明了激光技术的创新组合。对人类间充质干细胞的评估证实了该技术的有效性，生成的芯片是透明的，便于成像程序。这种技术对大规模生产的芯片有益，并对能源、交通和航空航天行业具有实用价值。

干细胞工程
      生物组织的来源是OOAC设计中最重要的参数之一。干细胞无需组织活检即可从人体中提取，根据定义，干细胞是任何能够自我更新并具有分化为一种或多种特化细胞类型的细胞。最常见的类型包括胚胎干细胞(ESCs)、诱导多能干细胞(IPSCs)和成体干细胞(ASCs)。这些细胞可以作为OOAC的生物组织来源。最常见的人类ASCs是间充质干细胞(MSCs)，它是从成人组织中提取的多能干细胞[126]。骨髓间充质干细胞(BMSCs)通常来自骨髓或脂肪组织，由于它们易于从组织活检中提取，因此成为一个有吸引力的选择。由于其有限的分化能力，缺乏一致的衍生方案和明确的生物学反应，骨髓间充质干细胞在OOAC模型中的应用不如其多潜能的同类细胞。人类胚胎干细胞来源于胚泡或胚胎的内部细胞。

根据来源，它们的功能并不是单一的，并从三个胚层中的任何一个分化为任何类型的成体细胞。然而，人类胚胎干细胞必须来自人类胚胎，这在伦理上存在争议，进而导致法规和限制。由于围绕胚胎干细胞的伦理争论和生产大量遗传多样性细胞系的技术困难，将人类胚胎干细胞应用于临床试验比将其用作治疗药物评估的疾病模型中的精确药物替代品更困难。像胚胎干细胞一样，间充质干细胞是多能的，可以从所有三个胚层分化出来。由于IPSCs来自成人组织，而不是胚胎组织，因此它们避免了与ESCs相关的伦理问题。在相同遗传背景的细胞中，ESCs和IPSCs在基因表达水平、表面标记表达和形态方面没有显著差异。除了绕过伦理争议，IPSCs相对于ESCs的另一个优势是，它们可以从已知疾病表型的捐赠者那里获得，这可以用于特定患者的疾病模型和药物筛选。

器官芯片(OOAC)设备的组织来源

与细胞系和原代细胞一样，胚胎干细胞(ESCs)、诱导多能干细胞(IPSCs)和成体干细胞(ASCs)可以分化并整合到微流控芯片中。该图显示了OOC设备中ESCs、ASCs、IPSCs、原始和组织活检以及细胞系的优势(白色)和局限性(黑色)。细胞系和原代细胞在卵母细胞中更为常见，因为它们通常表现出良好的生物反应特性。然而，细胞系不能代表正常的生理条件，原代细胞培养时间有限，质量不稳定。相比之下，干细胞很容易获得，是一个无限的细胞来源。即使目前在分化和成熟方案方面存在限制，干细胞仍然是一项很有前途的技术，可以被整合到OOC设备中。

因为干细胞比许多原始细胞类型和组织活检更容易获得，而且它们比其他细胞系更具生理学代表性，很可能成为未来OOAC的主要组织来源(图8)。继续研究干细胞在芯片上分化为功能器官模型的方法将有助于干细胞方法的改进和OOAC技术的进步。

干细胞研究的未来趋势，A: 系列组织，B：芯片上器官技术可以模拟体内的真实状态

结论和未来展望

我们回顾了OOAC技术的最新进展。微流控芯片为OOAC的发展提供了良好的支持。它的发展引起了世界范围内的研究关注，并取得了巨大的科学进步。已经设计和制备了大量的OOAC。人们已经研究了一系列人体器官。OOAC的最终目标是将众多器官集成到一块芯片中，并构建更复杂的多器官芯片模型，最终实现人体芯片。
尽管OOAC技术发展迅速，但人体芯片的理论仍然遥不可及。PDMS是最广泛使用的材料，但也有缺点，因为生成的膜比体内的形态更厚。疏水小分子的吸光度降低会影响溶剂的效率和毒性。因此，有必要确定合适的替代材料。目前，制造和实验实施的成本相对较高，不利于器官芯片的广泛使用，因此零部件必须成本低、易于处置。更昂贵的组件应该可以重复使用。在集成系统组件方面，必须减小介质体积和连接器大小以供一般使用。在芯片上采集样本可能会干扰其操作，导致各种代谢物的浓度发生变化。因此，需要更合适的传感器。还需要适用于所有器官的通用细胞培养液。最关键的是，随着芯片上器官数量的增加，功能变得更加复杂，产生的数据带有虚假的和不可翻译的风险。这是目前无法解决的问题。在长期重复给药或芯片研究的情况下，体外确定的生物标记物可能不能完全反映体内的等效性。

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