器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOAC）是一种构建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综合运用，其能在组织界面和机械刺激方面模拟真实器官的环境，再现人体组织的结构和功能特征，预测人体组织对多种刺激（包括药物反应和环境影响）的响应。

微流控技术（microfluidic technology）是一种精确操控与处理微小尺度流体的科学技术。它利用尺寸数十到数百微米的微通道，实现流体的精准操控。加之在微观尺度下，流体表面积/体积比更加凸显，因而该技术在体外诊断应用中具有试剂用量少、体积可控、混合速度快、响应迅速，以及能够精准调控流体的物理和化学特性等优点。

器官芯片技术是在微流控技术基础上形成的一种仿生技术，能够模拟生理器官的环境，并具备调控物质浓度梯度、细胞剪切力、细胞排列模式、组织边界以及组织与器官间的相互作用的能力。器官芯片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，对于理解人体功能障碍和发病机制具有重要意义，因此与医学、药物开发和毒理学等领域紧密相关。研究人体生理学最相关且直接的方法是体内实验。然而，人体的生理功能依赖于众多低层级组件（如组织、细胞、蛋白质和基因）之间的相互作用与适应，因此，仅通过体内研究很难揭示生理现象背后的机制。此外，药物开发和毒理学研究需评估成千上万种化合物的生理效应。由于体内实验通量低，生物学家转而采用体外细胞培养技术，传统的2D细胞培养系统一直是生命科学研究的重要平台，在2D系统中，通常通过培养细胞或细胞产物来研究各种细胞的功能，然而，2D系统无法准确模拟活体组织/器官的生理表现、器官内部相互作用以及微环境因素，因此往往需要在动物体内模型中进行验证。由于物种差异，动物实验结果往往无法完全复现于人体实验，同时，由于成本高昂和伦理问题，使用动物作为药物测试模型的做法受到了严格审视。在临床前测试中，如果对人体组织环境的描述不充分，可能会导致对整体组织功能综合效应的预测不准确。器官芯片技术正是为了克服这些不足而设计的，它提供了更贴近生理的模型系统。本综述介绍了器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOAC）技术的最新进展，并探讨其在细胞生物学评估领域的应用前景。

器官芯片设计理念与关键组件

1. 设计理念

器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOAC）技术结合微流控技术与细胞生物学方法，能够精准调控外部参数，从而高度模拟生理环境。在芯片上，需模拟动态机械应力、流体剪切力以及浓度梯度等条件。此外，还需实现细胞图案化，以充分反映生理过程。

1) 流体剪切力

微流控技术通过微泵灌注实现细胞的动态培养，有助于营养物质的输送与代谢废物的及时排出。相较于静态培养，这种动态环境更能模拟体内细胞所处的真实条件。此外，流体剪切应力可诱导器官形成极性。更为重要的是，器官芯片可通过激活细胞表面分子及相关信号转导通路，对内皮细胞的正常生物学功能施加必要的物理压力。将流体引入器官芯片装置，使得在单一器官层面进行生物学评估成为可能。器官芯片系统通过芯片上简单的“摇摆”式流体运动，或更复杂的可编程“脉动”式流体运动来模拟流体流动。

2) 浓度梯度

在微观尺度下，流体主要以层流形式流动，在空间和时间上形成稳定的生化分子浓度梯度。在血管生成、侵袭和迁移等生物现象中，存在由浓度梯度驱动的多种生化信号。微流控技术通过利用微阀和微泵调控流速与通道几何形状，在芯片上构建稳定的3D生化浓度梯度，以模拟人体内的复杂生理过程。

3) 动态机械应力

日常生理状态下，器官承受的压力包括血压、肺压和骨压等。这些压力对于维持骨骼肌、骨骼、软骨和血管等承受机械应力的组织至关重要。微流控技术利用弹性多孔膜来施加周期性的机械应力，机械刺激被作用认为是生理过程中细胞分化的关键决定因素。

4) 细胞图案化

人体组织的构建需要多种细胞进行复杂而有序的排列，以形成具有完整功能的整体。微流控技术通过控制细胞图案化，构建具有复杂几何形状的体外生理模型。表面修饰、模板和3D打印等技术有助于在芯片上实现细胞图案化。其中，3D打印技术通过形成具有复杂通道的水凝胶支架，实现了多尺度细胞图案化。3D打印的优势在于允许用户自定义数字掩模，为细胞图案提供了极大的灵活性，这对于体外重建细胞微环境至关重要。有学者开发了一种方法，通过控制拓扑操作，在玻璃芯片上实现快速异型细胞图案化。该方法结合了聚醋酸乙烯酯涂层、二氧化碳激光烧蚀以及玻璃芯片上的连续细胞接种技术，实现了上皮细胞-间充质细胞相互作用的可控性。此外，具有相似特性的间充质细胞也可在玻璃芯片上进行图案化。该方法不仅有助于对皮肤上皮细胞-间充质细胞相互作用进行大规模研究和药物测试，还可应用于其他细胞的图案化。

2. 关键组件

1) 微流控模块

微流控模块指利用微流控技术将目标细胞精准输送至预定位点，并涵盖培养过程中培养基输送与废液排出的系统。通常来说，该模块由微流道、微结构、培养腔、微阀和驱动泵构成，具备微型化、集成化及自动化的特点。

2) 活细胞组织模块

活细胞组织模块是指在2D或3D系统中，对特定细胞类型进行空间排列的组件。3D结构通常通过添加水凝胶等生物相容性材料构建而成。这些材料既能防止机械性损伤，又能塑造出3D排列结构。尽管相较于2D模型，3D组织结构能更精确地模拟体内环境，但由于技术、成本限制，以及细胞外基质的组装、血管网络预设与形成的挑战，目前器官组织中的活细胞大多仍采用2D培养方式。

3) 刺激模块

对于某些组织而言，需借助物理或化学信号来模拟生理微环境，以促进微组织成熟并发挥功能。例如，电刺激有助于心肌组织成熟。不同的信号刺激还可应用于药物筛选方法中。

4) 传感模块

传感模块用于检测并整合数据，可以是嵌入式传感输出组件，也可以是基于透明芯片的视觉功能评估系统。例如，采用自动化系统对多细胞器官芯片进行成像，可获取详细的细胞表型特征，并构建统计模型用于量化分析。此外，有学者开发了一种细胞系统，用于在3D微流控环境下监测细胞状态。这些检测方法利用延时成像显微镜技术，通过质量控制手段评估细胞的电活动。若无微传感器对系统特征点代谢状态进行读取，则无法全面描述与评估具有实际意义的人体芯片细胞模型。

新兴器官芯片（OOAC）技术

1）肝脏芯片

肝脏系统是药物/毒素代谢的主要场所。肝脏由一系列复杂的肝小叶构成，这些肝小叶赋予了细胞间多功能的协同沟通能力。然而，长期维持肝细胞的生理活性极具挑战性。如下图所示，Kane等人设计了首个基于肝脏的系统，该系统包含微流控通道，在通道中，3T3-J2成纤维细胞与大鼠肝细胞被共培养。在该芯片中培养的大鼠肝细胞能够持续、稳定地合成白蛋白并进行代谢活动。Lee等人设计了一款芯片，该芯片模拟了内皮细胞的间质结构，并在细胞间隙外部灌注培养基。这种可渗透的内皮细胞间隙将呈索状结构的肝细胞与外部肝窦区域分隔开来，同时确保了物质交换的高效性。Ho等人利用电泳产生的径向电场梯度，将细胞图案化到环形的聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片上。这些创新技术成功模拟了肝小叶的结构。Hegde等人制造了一种双层芯片，利用多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜分隔通道，并通过上层腔室持续向下层通道灌注涂覆了胶原蛋白和纤连蛋白的大鼠原代肝细胞。

为优化生理模型，研究人员已将3D肝细胞培养技术应用于微流控芯片中。Ma等人构建了一个仿生平台，用于肝类器官的原位灌注培养。Yum等人开发了相关系统，用于研究肝细胞对其他细胞类型的影响，并开发了高通量检测方法，以评估肝细胞的药物毒性。Riahi等人研制了微流控电化学芯片免疫传感器，用于检测肝毒性过程中产生的生物标志物。Chong等人开发了一种检测方法，通过评估代谢物生成以及抗原呈递细胞（APCs）的激活情况，监测药物引发的皮肤致敏反应。该系统作为药物筛选平台，有助于识别可能引发全身性皮肤反应的化合物。Lu等人通过将脱细胞肝脏基质（DLM）与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）相结合，构建了仿生肝脏肿瘤模型，以模拟三维肿瘤微环境（TME）。该系统为未来一系列抗癌药物研究提供了更优的疾病模型。此外，研究人员还对多种疾病或损伤状态进行了测试。Kang等人利用其系统分析了乙型肝炎病毒的复制情况。Zhou等人开发了一种用于模拟酒精性肝损伤的系统。未来，对培养的细胞质在代谢组学、蛋白质组学、基因组学及表观遗传组学层面的进一步分析，将有助于提升这些研究的功能性成果。

2）肺芯片

肺部的气体交换由肺泡调控，然而在体外准确复现肺泡功能颇具挑战。微流控技术可通过精确控制流体流动和维持气体交换，构建体外肺模型并模拟肺部病理现象。当前研究主要聚焦于气道机械压力调控、血-肺泡屏障以及剪切力对病理生理过程的影响。

如下图所示，Huh等人利用软光刻技术制作了肺芯片模型。他们将芯片划分为不同区域，区域之间由厚度为10微米的聚二甲基硅氧烷（PDMS）多孔膜分隔，膜上覆盖有细胞外基质（ECM）。芯片上层的PDMS区域用于培养肺泡上皮细胞，下层区域则含有人肺微血管内皮细胞，以此模拟肺泡-毛细血管屏障结构。通过向真空腔施加负压使PDMS多孔膜拉伸，可模拟呼吸过程中肺泡的扩张与收缩。研究团队将中性粒细胞引入流体通道，从而向该系统施加炎症刺激。通过引入白细胞介素-2，成功构建了肺水肿病理模型。这一成果凸显了器官芯片（Organ-on-a-chip, OOAC）模型在改进现有体内实验方面的潜力。

2015年，Stucki等人报告了一种能够模拟肺实质的肺芯片。该系统包含肺泡屏障以及模拟呼吸的3D周期性应变机制，是首个采用弹性膜扩张来模拟呼吸过程的模型。Blume等人构建了3D气道培养模型，通过流体和培养基的交换模拟肺间质液流动，为深入研究上皮屏障的生理机制提供了可能。该模型采用带有可渗透滤膜的支架作为单一组织培养室，并将多个培养室整合在一起，提升了系统的集成度。在肺芯片中，微流控系统不仅能够模拟肺部的气-液界面和呼吸时的肺泡扩张，还能对肺泡及其附着的毛细血管施加压力，形成剪切流场，从而更真实地模拟肺部环境。Humayun等人在水凝胶膜的两侧分别培养气道上皮细胞和平滑肌细胞，以评估其作为生理模型的适用性。该系统结合了微环境信号和毒素暴露，构建了慢性肺部疾病的生理模型。Yang等人采用聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）静电纺丝纳米纤维膜作为芯片基质，用于构建细胞支架。鉴于该系统的便捷性，其在肺肿瘤精准治疗和组织工程领域具有应用潜力。

肺组织器官芯片可作为植入式呼吸辅助装置。Peng等人设计了肺辅助装置（LAD），旨在为呼吸衰竭的早产儿在胎盘内提供额外的气体交换功能。该装置在脐动脉和脐静脉中实现了大直径通道设计，使LAD能够维持较高的体外血流量，该研究首次系统量化了导管扩张对脐血管造成的损伤。Dabaghi等人采用微加工技术制造了具有双面气体输送功能的微流控血液氧合器，显著提升了气体交换效率，其氧气摄取量相较于单面气体输送装置提高了343%。Xu等人利用微流控芯片平台模拟肺癌的微环境，采用癌细胞系和原代癌细胞，测试了多种化疗药物的效果。另一项近期研究在“小气道芯片”模型中模拟了哮喘。该模型基于人类哮喘和慢性阻塞性肺疾病的气道模型，对治疗方法进行了测试，结果显示芯片模型能够重现体内对类似疗法的反应。

3）肾脏芯片

肾脏负责维持渗透压和药物排泄，肾脏毒性会导致肾小球滤过功能出现不可逆的丧失。肾单位是肾脏中发生滤过和重吸收作用的部位，由肾小球、肾小囊和肾小管组成。微流控技术能够模拟支持肾小管细胞生长的流体环境，并提供多孔膜结构以维持细胞的极性。

如下图a所示，Jang等人开发了首个多层微流控系统，该系统利用小鼠肾脏髓质集合管细胞来模拟肾脏滤过功能。这一装置提供了仿生环境，通过促进细胞骨架重组以及在激素刺激下的分子转运，增强了内髓集合管的细胞极性。2013年，同一微流控装置被用于培养人原代肾上皮细胞，这些研究是首次针对原代肾脏细胞开展的毒性研究。该装置能够直接观察并对完整肾小管的多种生物学过程进行定量分析，而在传统的细胞培养或动物模型中是无法实现的。此外，该装置还有助于研究肾脏功能和疾病的基本分子机制。

传统细胞培养系统的缺点在于，细胞分化为功能性细胞需要较长的培养时间，并且需要外部信号检测系统。如上图b所示，Musah等人介绍了在器官培养装置中诱导多能干细胞来源的足细胞形成人肾小球芯片的方法，该芯片能够模拟肾小球毛细血管壁的结构和功能，适用于肾毒性评估、治疗药物开发、再生医学以及肾脏发育和疾病研究。

此外，Sakolish等人研制的一种可重复使用的微流控芯片，该芯片包含人近端小管和肾小球，可使肾上皮细胞在多种条件下生长。Schutgens等人设计了稳定的肾小管培养系统，可实现人肾脏组织的长期扩增和分析。基于该系统，开发了一种多用途的人原代肾上皮细胞培养模型，能够进行快速且个性化的分子和细胞分析、疾病建模以及药物筛选。Tao等人提出了一种从人诱导多能干细胞生成人胰岛类器官的有效策略，该策略可应用于一系列基于干细胞的器官工程和再生医学领域。

4）心脏芯片

心血管疾病导致的死亡是人类死亡的首要原因，微流控技术的出现使得对心脏组织进行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（CMs）的搏动可直接用于评估药物效果，且与心脏泵血功能直接相关。2012年，Grosberg等人使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作了一种具有表面纹理的弹性薄膜，并将新生大鼠心肌细胞接种于该薄膜上，形成肌肉膜。当心肌细胞收缩时，肌肉膜会向一侧卷曲。通过测量卷曲的程度，可分析PDMS薄膜上不同区域心肌细胞收缩能力的差异。该系统既适用于单层肌肉膜的测量，也适用于高通量的自动化多孔板检测。2013年，Zhang等人利用水凝胶在PDMS模型中制备了自组装的心肌片。研究人员还通过3D打印技术制备了微器官组织芯片，实现了心肌系统和血管系统的整合。该模型利用血管内皮细胞形成血管网络，并将心肌细胞添加到血管网络的间隙中。由此制成的器官芯片为心血管（CV）相关药物的筛选提供了可行的平台。

Zhang等人介绍了一种心脏类器官芯片装置，该装置采用高速阻抗检测技术来评估心脏药物的疗效，通过记录心肌细胞的收缩情况来评价药物效果，实现了对药物心脏疗效的临床前评估。如上图所示，Marsano等人构建的心脏器官平台模拟了心肌细胞的生理和力学环境，使其成为一种创新且低成本的药物筛选平台，可提高体外模型的预测能力。Schneider设计了一种便捷高效的心脏组织生成芯片，该芯片基于人诱导多能干细胞（hiPSCs），能够在可控环境中培育心脏组织，长时间维持心肌组织的存活和功能，并通过光学手段详细检测其搏动动力学特性。此外，Tzatzalos等人报告，人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）在模拟健康和特定疾病心肌细胞方面具有无限潜力，可用于评估扩张型心肌病药物的疗效。

5）肠芯片

口服药物需经小肠吸收后才能进入血液循环系统，小肠绒毛是吸收功能的关键结构，在芯片上必须保持其形态。Imura等人开发了用于模拟肠道系统的芯片，该芯片由载玻片基底、透水膜以及含有通道的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄片构成，并在芯片上培养了Caco-2细胞。Sung等人构建了首个3D水凝胶结构，用于模拟人体小肠绒毛。如下图所示，Kim等人则研制出仿生装置，通过剪切力和周期性应变重建了肠道的微环境，使Caco-2细胞得以长期生长，并维持了人体肠道内的菌群生态，肠道复杂的结构与生理特性为药物筛选提供了平台，同时也有助于研究肠道疾病发生过程中肠道微生物组、炎症细胞以及与蠕动相关的机械形变所发挥的作用。该装置能够用于探究肠道疾病的病因，并识别潜在的治疗靶点和药物。

肠道细胞可单独培养，也可与人脐静脉内皮细胞（HUVECs）等内皮细胞共同培养。尽管基因组保真度较低，但芯片仍能模拟肠道功能。Kasendra等人将肠道组织工程学与器官芯片（OOAC）技术相结合，构建了人体十二指肠的体外生物学模型。芯片中培养的肠道上皮细胞取自内窥镜活检样本或器官切除组织，该芯片模型与活体十二指肠接近，成功再现了小肠的关键特征。

6）多器官芯片

单一器官芯片无法充分反映器官功能的复杂性、功能变化以及完整性。而多器官芯片通过通道（仿生血管）同时培养不同器官和组织的细胞，实现多器官整合，从而可以考察器官间的相互作用。这些系统可分为静态、半静态和柔性三种方式。如下图所示，静态多器官系统将多个器官集成于单个相连的装置内；在半静态系统中，器官通过基于Transwell小室形式，下层采用微流道连接；而在柔性系统中，则使用柔性微通道将针对不同器官的独立平台相互连接。尽管多器官芯片的概念仍处于起步阶段，但已取得重大突破，包括在芯片上构建双器官、三器官、四器官乃至十器官的系统。

2010年，Van等人在微流控设备中结合了肝脏和小肠。小肠和肝脏切片在芯片上发挥作用，证明了该系统在研究器官间相互作用（如胆汁酸合成的调控）方面的适用性。这一系统为体外研究提供了可能，并增进了对器官-器官相互作用的理解。此后，更多器官被集成到单个芯片上，随着芯片上器官数量的增加，系统复杂性也随之提高，Lee等人研制出无泵、用户友好的多器官芯片，该芯片易于组装和操作。Satoh等人则报道了一种基于气压驱动培养基循环平台（微孔板大小）的多高通量多器官芯片系统，如下图所示，该系统在药物研发应用方面具有以下优势：可同时运行多个多器官培养单元；微流控网络设计灵活；配备便于移液操作的液体处理界面；适用于微孔板中广泛使用的实验方案和分析方法。

7）干细胞工程

生物组织的来源是器官芯片设计中最重要的参数之一。干细胞无需通过组织活检即可从人体中提取，干细胞是具有自我更新能力，并能够分化为一种或多种特化细胞类型的细胞。如下图所示，最常见的干细胞类型包括胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells，ESCs）、诱导多能干细胞（Induced Pluripotent Stem Cells，iPSCs）和成体干细胞（Adult Stem Cells，ASCs）。这些细胞可作为OOAC的生物组织来源。最常见的人类成体干细胞是间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells，MSCs），它是从成体组织中提取的多能干细胞。骨髓间充质干细胞（Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells，bMSCs）通常来源于骨髓或脂肪组织，因其易于从组织活检中提取成为颇具吸引力的选择。然而，由于MSCs分化能力有限、缺乏稳定的制备方案以及明确的生物学反应，在OOAC模型中，其应用价值不如多能干细胞。人类胚胎干细胞源自囊胚或胚胎内细胞团。根据来源不同，它们具有多能性，可分化为来自三个胚层的任何类型的成体细胞。人类胚胎干细胞必须从人类胚胎中提取，伦理上存在的争议导致了相关法规和限制的产生。iPSCs源自成体组织而非胚胎组织，因此避免了与胚胎干细胞相关的伦理问题。在相同遗传背景的细胞中，iPSCs与胚胎干细胞在基因表达水平、表面标志物表达和形态方面并无显著差异。iPSCs相较于胚胎干细胞的另一个优势在于，它们可从已知疾病表型的供体中获取，可用于构建患者特异性的疾病模型和药物筛选。

由于干细胞比许多原始细胞类型和组织活检更容易获取，且相较于其他细胞系更具生理代表性，因此很可能成为未来OOAC的主要组织来源。持续研究干细胞在芯片上分化为功能性器官模型的方法，将有助于改进干细胞技术，推动OOAC技术的发展。

结论与未展望

本文回顾了OOAC（器官芯片）技术的最新进展，以微流控芯片为载体的多种OOAC，如肾、肺、肝、肠、心脏芯片，已经在临床医学、疾病研究、药物筛选等领域崭露头角。OOAC的最终目标是将多个器官集成到单个芯片上，构建更复杂的多器官芯片模型，最终实现“人体芯片”（“Human-on-a-chip”）。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是目前应用最广泛的芯片材料，但其对小分子的吸附影响了药物的效力和毒性评估。因此，需寻找合适的替代材料。此外，制造和实验实施的成本相对较高，阻碍了OOAC的应用，必须进一步降低其组件成本，对于昂贵的组件应可重复使用。在集成系统组件方面，需进一步降低培养基体积和连接器尺寸。芯片中的样本采集可能会干扰甚至中断其运行，导致各种代谢物浓度发生变化，因此，需配置合适的传感器实时动态监测芯片内部指标。此外，还需开发适用于所有器官的通用型细胞培养基。

原文信息

Wu Q, Liu J, Wang X, Feng L, Wu J, Zhu X, Wen W, Gong X. Organ-on-a-chip: recent breakthroughs and future prospects. Biomed Eng Online. 2020 Feb 12;19(1):9. doi: 10.1186/s12938-020-0752-0. PMID: 32050989; PMCID: PMC7017614.

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