什么是芯片上的器官？

一、體外細胞培養(yǎng)的現(xiàn)狀

體外細胞培養(yǎng)平臺對現(xiàn)代研究、臨床研究和藥物開發(fā)至關重要。一個多世紀以來，培養(yǎng)皿一直是體外細胞培養(yǎng)的基石。這項技術的發(fā)明者朱利葉斯·理查德·佩特里打算將其用于微生物培養(yǎng)。時間證明了它在生物醫(yī)學領域的廣泛性與有用性。一個多世紀以來，這些器件已經(jīng)被制作成了大量的材料設備，并成為了生物學領域的突破性研究。

然而，隨著科學的不斷進步，人們發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)皿并不能還原體內(nèi)生物的真實情況。換句話說，培養(yǎng)皿無法重現(xiàn)體內(nèi)細胞的生理環(huán)境。

當在塑料或玻璃板上培養(yǎng)細胞時，我們忽略了體內(nèi)細胞微環(huán)境所帶來的諸多刺激，而這些刺激卻極大地影響著細胞在人體內(nèi)的行為與作用。西班牙哲學家奧爾特加·加塞特曾說過：“我是我自己和我周圍的環(huán)境"。細胞生物學同樣認為，“細胞就是它們自己和它們的微環(huán)境"。如果不能正確地重建這種微環(huán)境，我們在研究時，將歪曲體內(nèi)細胞的整體行為。

這一思路使全球的工程師和生物學家開始致力于開發(fā)新一代細胞培養(yǎng)平臺，以滿足再現(xiàn)細胞微環(huán)境這尚未實現(xiàn)的需求。在這些新的細胞培養(yǎng)平臺中，其中最有前途的是微流控設備。

微流體學是一門研究微尺度流體操作的科學，其方法是將流體流動限制在10-6-10-3m尺寸的通道中。這些應用于細胞培養(yǎng)的平臺被稱為“芯片上的器官"，允許細胞接受類似體內(nèi)?的機械、電氣和化學刺激。

Beonchip則致力于這些平臺的設計、開發(fā)和商業(yè)化。我們多元化的學科團隊，其中包括生物學家、工程師和物理學家，每天都致力于開發(fā)新的細胞培養(yǎng)平臺和模型，以充分還原生物生命過程，并產(chǎn)生比經(jīng)典體外模型更可靠的結果。我們的最終目標是通過新一代藥物研發(fā)體外平臺的創(chuàng)建和新臨床生物標志物的鑒定，減少藥物研發(fā)和毒性試驗中對動物的使用，并加快疫苗研發(fā)進程。此外，減少動物研究而支持體外研究可以節(jié)省研究人員和制藥公司研發(fā)的時間和成本。

二、芯片上器官技術如何再現(xiàn)人體的生理環(huán)境？

首先，在流體通道中使用微通道和分隔室，可以使相關物質和特定蛋白質有組織地進行沉積，從而模擬出細胞外基質。這使得細胞能夠像在體內(nèi)一樣進行粘附和相互作用。然后我們所研究的特定組織將連接一個介質流，這個介質流類似于流經(jīng)毛細血管的血流，可以灌溉生物組織。這種流動會對特定組織產(chǎn)生物理壓力（剪切應力），進而直接影響細胞的表達形態(tài)。此外，這種流動也會由于氧氣和營養(yǎng)梯度的產(chǎn)生間接導致細胞遷移與分化。芯片上器官技術的優(yōu)勢之一是可以通過添加藥物、免疫系統(tǒng)細胞、病毒、細菌等其他微生物，將微生物組復制到芯片灌注的介質中。因此，將不同類型的細胞組合在一個類似體內(nèi)的結構中，并引入這個組織在體內(nèi)所受到的所有物理和化學刺激，我們就可以重建器官或組織的一部分，來構建一個功能單元。

這些功能單元可以相互連接來模擬出體內(nèi)不同器官的串擾，因此可以研究這個相互連接的系統(tǒng)里所產(chǎn)生的各種復雜生化反應，這個概念則被稱為體芯片。值得一提的是，美國懷斯研究所的研究人員開發(fā)了這項技術的一個例子，他們將芯片上的腸道與肝臟和腎臟連接起來，以評估口服尼古丁的效果。在腸壁吸收后，尼古丁通過模擬的循環(huán)系統(tǒng)被運輸?shù)礁闻K進行代謝，最后到達腎臟排出體外1。

從長遠來看，這項技術將用于個性化醫(yī)療服務。即從患者身上提取出細胞并培養(yǎng)在芯片中，在體外復制患者的疾病。這種復制品將允許醫(yī)生和生物學家測試不同的藥物和治療方法，以觀察哪種療法適合不同的病人。

我們在Beonchip的目標是隨著芯片器官技術的發(fā)展，實現(xiàn)本文提到的所有目標，在我們內(nèi)部研發(fā)團隊的幫助下，密切幫助我們的客戶采用新一代細胞培養(yǎng)平臺。我們將繼續(xù)致力于開發(fā)這些創(chuàng)新平臺，為更高效、更具倫理道德的生物醫(yī)學研究領域鋪平道路。

圖1，來源：Beonchip

圖1顯示了如何在微流控設備中重建芯片上皮膚模型的示例。該裝置可以通過多孔膜將培養(yǎng)井與微流控通道連接起來，從而研究復雜的培養(yǎng)結構。在這個裝置中，可以重建灌溉皮膚組織的血管，覆蓋分離通道的膜，并與內(nèi)皮細胞很好地進行結合。真皮主要由膠原和成纖維細胞組成，利用水凝膠中成纖維細胞的三維培養(yǎng)進行模擬。在水凝膠聚合后，我們可以在氣液界面培養(yǎng)一層角化細胞。這種培養(yǎng)條件有利于不同層系的外延生長。

作者：Sandra Gonzalez Lana and Luis Serrano

參考文獻：

Herland, A. et al. Quantitative prediction of human pharmacokinetic responses to drugs via fluidically coupled vascularized organ chips. Biomed. Eng. 4, 421–436 (2020).

Altas de histología. Facultad de Medicina. Universidad de Zaragoza. 

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