類(lèi)器官芯片與傳感器的結(jié)合

類(lèi)器官芯片(organoids-on-chips)是傳統(tǒng)器官芯片在生物技術(shù)方面的延伸。近年來(lái)隨著組織工程和精密加工技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，使得體外類(lèi)器官培養(yǎng)和類(lèi)器官芯片成為生物醫(yī)學(xué)中極具特色而富有活力的新興領(lǐng)域。它融合了物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)和微機(jī)電等多個(gè)學(xué)科，是典型的交叉前沿科學(xué)技術(shù)。器官芯片在概念上包含類(lèi)器官芯片，它是一種在芯片上構(gòu)建的生理微系統(tǒng)，以微流控芯片技術(shù)為核心，通過(guò)與細(xì)胞生物學(xué)、生物材料和工程學(xué)等多種方法相結(jié)合，可以在體外模擬構(gòu)建包含有多種活體細(xì)胞、功能組織界面、生物流體和機(jī)械力刺激等復(fù)雜因素的組織器官微環(huán)境，反映人體組織器官的主要結(jié)構(gòu)和功能特征。而類(lèi)器官芯片則是將器官芯片中的二維(2D)細(xì)胞由三維(3D)細(xì)胞或類(lèi)器官取代。由于在三維環(huán)境培養(yǎng)中有一定剪切力的特性，其細(xì)胞更接近人體生理學(xué)狀態(tài)并且還具有一些2D細(xì)胞所沒(méi)有的器官功能，因此類(lèi)器官芯片將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。目前該領(lǐng)域還處于初級(jí)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究都剛剛開(kāi)始，但它的發(fā)展對(duì)未來(lái)人類(lèi)健康和生物產(chǎn)業(yè)有著重要的戰(zhàn)略意義。從2004年最早的器官芯片報(bào)道以來(lái)，經(jīng)歷十多年的研究，器官芯片領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的成功，它以前所未有的方式模擬和見(jiàn)證人體的多種生物學(xué)行為，在開(kāi)發(fā)新藥、毒性測(cè)試、干細(xì)胞研究和了解疾病機(jī)制等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。不過(guò)作為其中的重要組成部分，平面培養(yǎng)的細(xì)胞在模擬真正在體生理特性方面還是存在一些不足，因此用體外3D培養(yǎng)的類(lèi)器官替代芯片中傳統(tǒng)2D培養(yǎng)的細(xì)胞已經(jīng)成為目前器官芯片的研究要點(diǎn)；另外單純的依靠細(xì)胞染色技術(shù)檢測(cè)藥效毒理方面的結(jié)果也不能滿足快速發(fā)展的器官芯片領(lǐng)域，因此與現(xiàn)有先進(jìn)的檢測(cè)傳感器聯(lián)合打造一體化的高內(nèi)涵多參數(shù)儀器系統(tǒng)將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

類(lèi)器官研究現(xiàn)狀

在過(guò)去幾十年里，體外3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展使得科學(xué)家們研究一種更接近人體生理學(xué)特性的新型組織成為可能。類(lèi)器官是指在結(jié)構(gòu)和功能上都類(lèi)似某種器官或組織的模擬物，其中包含由干細(xì)胞或祖細(xì)胞獨(dú)立擴(kuò)增并且分化的器官特異性上皮組織。在基質(zhì)膠的包埋下，不同來(lái)源的干細(xì)胞可以增殖分化并自組裝成類(lèi)器官的結(jié)構(gòu)，而且還具備一定的器官功能，因此得名為類(lèi)器官。Lancaster等人認(rèn)為類(lèi)器官是源于多能干細(xì)胞或器官祖細(xì)胞且具有胚層特異性的類(lèi)器官體，其包含目標(biāo)器官中至少一種細(xì)胞類(lèi)型，能夠自組裝為器官樣結(jié)構(gòu)并具有其生理結(jié)構(gòu)和功能特征。

最早在2009年，Sato等人證明3D上皮樣的小腸類(lèi)器官可以通過(guò)單個(gè)富含LGR5標(biāo)記的小腸干細(xì)胞培養(yǎng)而成。在基質(zhì)膠的包埋下，小腸干細(xì)胞需要在無(wú)血清的條件(模擬體內(nèi)干細(xì)胞龕)下再添加R-spondin，LGR5配體，表皮生長(zhǎng)因子以及骨形態(tài)生成蛋白進(jìn)行培養(yǎng)。這種培養(yǎng)條件下的干細(xì)胞可以生長(zhǎng)分化形成小腸隱窩和絨毛這樣的器官特性組織并且高度極性的表皮樣結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的研究結(jié)果顯示，將體外培養(yǎng)的結(jié)腸類(lèi)器官移植到硫酸葡聚糖誘導(dǎo)的急性結(jié)腸炎小鼠模型中可以修復(fù)其受損的結(jié)腸上皮，這表明利用單一成人結(jié)腸干細(xì)胞體外擴(kuò)增進(jìn)行結(jié)腸干細(xì)胞治療是可行的。目前，研究者甚至在人類(lèi)腸類(lèi)器官上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用CRISPR-Cas9技術(shù)對(duì)其進(jìn)行基因編輯，達(dá)到模擬結(jié)腸癌的效果。這種類(lèi)器官培養(yǎng)體系能夠?qū)χ委熌c道相關(guān)疾病的藥物進(jìn)行篩選，還能應(yīng)用于一些細(xì)胞因子對(duì)腸道損傷修復(fù)作用的研究。

這種培養(yǎng)方法開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)類(lèi)器官培養(yǎng)時(shí)代，接下來(lái)多種鼠源或是人源的表皮樣類(lèi)器官開(kāi)始涌現(xiàn)，其中包括結(jié)腸、肝、胰腺、前列腺、胃、輸卵管、味蕾、唾液腺、食道、肺、子宮內(nèi)膜和乳腺。類(lèi)器官可以長(zhǎng)期培養(yǎng)、凍存和基因改造，這也使得它成為研究者眼里一個(gè)優(yōu)秀的疾病模型來(lái)源。在醫(yī)學(xué)上，癌是指起源于上皮組織的惡性腫瘤，具有難以早期發(fā)現(xiàn)、病程快、致死率高等特點(diǎn)。因此，作為疾病模型癌癥類(lèi)器官成為了一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，表1列舉了現(xiàn)在已經(jīng)報(bào)道培養(yǎng)成功的癌癥類(lèi)器官。目前，類(lèi)器官不僅是研究組織及器官發(fā)生、發(fā)展的有效工具，還能用于藥物療效和藥物毒理學(xué)性質(zhì)的檢測(cè)，更重要的是可以利用患者來(lái)源的干細(xì)胞深入研究疾病的發(fā)生機(jī)制、進(jìn)行細(xì)胞和基因治療。另外，除了添加各種特定的生長(zhǎng)因子來(lái)誘導(dǎo)分化干細(xì)胞外，Kuo課題組發(fā)表了一種全新的類(lèi)器官培養(yǎng)方法，即在氣液界面上培養(yǎng)基質(zhì)支持細(xì)胞來(lái)提供必要的生長(zhǎng)因子。這種方法增強(qiáng)了細(xì)胞的增殖和多向分化，使得更大的球形類(lèi)器官得以產(chǎn)生。

表1 已報(bào)道的可以成功培養(yǎng)的癌癥類(lèi)器官種類(lèi)

目前，類(lèi)器官的研究也存在一些局限。比如，雖然類(lèi)器官在體外實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出自我更新和分化的能力，但是傳代次數(shù)有限；再者，體外培養(yǎng)大量細(xì)胞或組織一直存在無(wú)法再現(xiàn)生物體內(nèi)的血管網(wǎng)絡(luò)，從而造成營(yíng)養(yǎng)代謝障礙的問(wèn)題。但這些缺陷一定程度上可以結(jié)合微納加工和微流控等工程技術(shù)得以解決，因此類(lèi)器官芯片有著巨大的研究前景。

器官芯片和類(lèi)器官芯片

器官芯片的尺寸較小，培養(yǎng)腔一般在毫米甚至微米級(jí)別，這就避免了一次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用過(guò)多細(xì)胞的浪費(fèi)現(xiàn)象；而且多個(gè)培養(yǎng)腔的集成檢測(cè)也提高了通量，適合更多種藥物濃度梯度實(shí)驗(yàn)和不同的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，更讓單細(xì)胞或單個(gè)類(lèi)器官的個(gè)體差異性研究成為可能。另外，微流控作為器官芯片的核心技術(shù)就相當(dāng)于生物體內(nèi)負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)难埽@就很好地解決了傳統(tǒng)培養(yǎng)方式中營(yíng)養(yǎng)代謝障礙的問(wèn)題。

器官芯片

最早的器官芯片是由Huh等人開(kāi)發(fā)的肺芯片，它是一種載玻片大小的雙層夾膜結(jié)構(gòu)，一側(cè)用于氣流通過(guò)，另一側(cè)用于培養(yǎng)液通過(guò)，在中間多孔的PDMS膜兩側(cè)分別培養(yǎng)氣管上皮細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞，從而達(dá)到模擬人體肺泡的氣液界面的效果；另外在肺芯片的兩側(cè)以循環(huán)抽真空的形式拉扯PDMS膜，使得培養(yǎng)在上面的細(xì)胞受到類(lèi)似肺牽張作用，模擬肺泡呼吸的效果，這顯示了器官芯片的初級(jí)功能化(圖1(a))。在肺器官芯片基礎(chǔ)上，研究者通過(guò)在微通道中加入白細(xì)胞介素2，建立了肺水腫病理學(xué)模型；也通過(guò)氣路改進(jìn)，控制有節(jié)律性的氣體進(jìn)出，研究吸煙對(duì)肺細(xì)胞的影響以及損傷反應(yīng)(圖1(b))。該系列研究證實(shí)了肺芯片不僅可以模擬肺部疾病的病理過(guò)程，也發(fā)現(xiàn)了周期性呼吸運(yùn)動(dòng)在肺部疾病發(fā)生發(fā)展中的重要作用，為呼吸系統(tǒng)疾病研究提供了一種新的思路。

圖1 肺器官芯片構(gòu)建(a)和體外吸煙模型(b)

在肺器官芯片之后，相繼出現(xiàn)了肝器官芯片、腎器官芯片和血腦屏障芯片等。肝器官芯片是將肝細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞精確地分層種植，并在流動(dòng)的培養(yǎng)基中共培養(yǎng)可以構(gòu)建出有特定結(jié)構(gòu)的類(lèi)肝血竇模型。腎器官芯片通過(guò)多維分區(qū)的功能化芯片設(shè)計(jì)與構(gòu)筑構(gòu)建了含有原代腎小球組織(腎小球內(nèi)皮細(xì)胞和足細(xì)胞等)、基質(zhì)成分和血管樣機(jī)械流體的動(dòng)態(tài)三維系統(tǒng)，能夠模擬生理上的腎小球微環(huán)境和功能特征。血腦屏障芯片利用多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建包含有多種腦細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和機(jī)械流體條件等核心要素的動(dòng)態(tài)三維血腦屏障模型，此芯片接近生理環(huán)境的結(jié)構(gòu)功能特性，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)臨床抗腫瘤藥物穿透屏障能力的篩選與評(píng)價(jià)。這些器官芯片都通過(guò)微流控技術(shù)解決了持續(xù)新鮮培養(yǎng)基以及后續(xù)藥物等的供給問(wèn)題，而且也通過(guò)工程手段實(shí)現(xiàn)了部分人體器官的功能，但在細(xì)胞培養(yǎng)方面都是以2D培養(yǎng)的細(xì)胞為基礎(chǔ)，所以還是存在不夠接近在體生理狀態(tài)的局限性。

類(lèi)器官芯片

近年來(lái)，基于3D細(xì)胞的類(lèi)器官芯片研究也日漸出現(xiàn)。Au等人研制了一種基于微流控技術(shù)的肝類(lèi)器官藥物篩選平臺(tái)，它可以控制單個(gè)細(xì)胞凝膠團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)單個(gè)類(lèi)器官的檢測(cè)效果，這樣既能節(jié)省類(lèi)器官使用數(shù)量，又可以提高實(shí)驗(yàn)通量(圖2)。肝類(lèi)器官是通過(guò)HepG2細(xì)胞和NIH-3T3細(xì)胞在水凝膠的環(huán)境下共培養(yǎng)而成的。實(shí)驗(yàn)證明，這種類(lèi)器官不僅展現(xiàn)出纖維細(xì)胞依賴(lài)的收縮特性，而且白蛋白的分泌和細(xì)胞色素P4503A4的活性都比2D培養(yǎng)的細(xì)胞要好(圖2(b))。研究者還利用該芯片成功檢測(cè)了不同濃度的對(duì)乙酰氨基酚(APAP，常見(jiàn)于泰諾)對(duì)肝類(lèi)器官凋亡和壞死的情況。另外，Skardal等人在有平行流道的PDMS模具內(nèi)，利用紫外線交聯(lián)的透明質(zhì)酸聚合物來(lái)原位構(gòu)造微小肝組織。經(jīng)過(guò)一周的培養(yǎng)就可以得到用于肝毒性檢測(cè)的穩(wěn)定3D組織。

圖2肝類(lèi)器官芯片的研究。(a)3D肝類(lèi)器官微流控藥篩裝置；(b)通過(guò)熒光強(qiáng)度比較2D與3D培養(yǎng)細(xì)胞對(duì)藥物作用的反應(yīng)

最近,秦建華團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一個(gè)以人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(hiPSCs)分化的肝類(lèi)器官所制的三維灌注芯片。這項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的研究成果不同于其他以3D共培養(yǎng)細(xì)胞為對(duì)象的類(lèi)器官芯片，首次真正做到了把類(lèi)器官引入到芯片中，并做了不同濃度的APAP藥物毒性實(shí)驗(yàn)，這對(duì)人們了解器官形成、疾病機(jī)理和藥物測(cè)試有著巨大的推進(jìn)作用。近年來(lái)，癌癥類(lèi)器官的研究也是一大熱點(diǎn)，因此越來(lái)越多的癌癥類(lèi)器官芯片也開(kāi)始涌現(xiàn)。它不僅可以評(píng)價(jià)各種新開(kāi)發(fā)藥物對(duì)癌癥的治療效果，也可以研究腫瘤發(fā)生和發(fā)展的機(jī)制。由細(xì)胞系或是病人來(lái)源的肺癌細(xì)胞形成的3D球體也是抗癌藥物敏感性篩選的良好載體，而且3D球體還可以與成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)，研究發(fā)現(xiàn)共培養(yǎng)體系的3D球體有更強(qiáng)的抗藥性。另外，也有學(xué)者將癌癥類(lèi)器官芯片用于全新治療方法的研究，Yang等人制作了一種3D乳腺癌芯片來(lái)評(píng)價(jià)光能療法(PDT)效果。類(lèi)器官芯片的用途非常廣泛，利用工程學(xué)原理和多學(xué)科集成手段構(gòu)建了3D類(lèi)器官模型以及多器官集成芯片系統(tǒng)，可以對(duì)基礎(chǔ)生物學(xué)研究、毒性測(cè)試和干細(xì)胞等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

類(lèi)器官芯片與傳感器的結(jié)合

目前的類(lèi)器官芯片還基本處于以微流控為核心的研究階段，各種流道的設(shè)計(jì)都是有利于培養(yǎng)環(huán)境的改進(jìn)，使得類(lèi)器官更接近人體生理狀態(tài)。但是芯片中的類(lèi)器官在藥物作用響應(yīng)方面的檢測(cè)一般都使用傳統(tǒng)的細(xì)胞染色技術(shù)，然后再通過(guò)熒光顯微鏡來(lái)判別細(xì)胞活性。這種方法不僅操作復(fù)雜，花費(fèi)較高，而且很難做到對(duì)類(lèi)器官的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此引入傳感器檢測(cè)將是一個(gè)很好的選擇。

首先類(lèi)器官芯片與電阻抗傳感器的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)類(lèi)器官的整體生長(zhǎng)情況。Eichler等人研究了平板2D細(xì)胞和立體3D球體細(xì)胞在阻抗傳感器表面的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)這兩者之間具有顯著差異性。這可能是因?yàn)?D和3D模型的邊緣細(xì)胞形態(tài)不一致，且兩種模型細(xì)胞之間、細(xì)胞與細(xì)胞基質(zhì)之間的相互作用也不一樣。但該研究是在96孔細(xì)胞培養(yǎng)板上完成的，因此還未達(dá)到類(lèi)器官芯片中培養(yǎng)液循環(huán)更新的效果。傳統(tǒng)的電阻抗傳感器在檢測(cè)水凝膠包被下的類(lèi)器官會(huì)受到水凝膠絕緣的影響，因此在細(xì)胞生長(zhǎng)或是凋亡過(guò)程中難以檢測(cè)到細(xì)胞指數(shù)(CI)值的改變。筆者團(tuán)隊(duì)正在克服此項(xiàng)難點(diǎn)，目前主要有兩個(gè)方向有望突破。一是將某種導(dǎo)電的物質(zhì)混入在水凝膠中與細(xì)胞一起培養(yǎng)。這對(duì)材料的要求較高，不僅需要物質(zhì)微粒直徑小(納米級(jí)別)，而且還需要很好的導(dǎo)電性，最重要的是其生物相容性，在培養(yǎng)過(guò)程中不能影響細(xì)胞活性；二是通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的3D阻抗傳感器，檢測(cè)凝膠和細(xì)胞總體的阻抗。由于凝膠的阻抗值在培養(yǎng)過(guò)程中基本穩(wěn)定不變，細(xì)胞在低頻率時(shí)被視為非導(dǎo)體，因此凝膠/細(xì)胞結(jié)構(gòu)的總阻抗值主要由細(xì)胞數(shù)目決定。通過(guò)分析總阻抗值的變化趨勢(shì)，可以進(jìn)一步分析3D培養(yǎng)的細(xì)胞活性和數(shù)目。圖3所示的為我們自主研發(fā)的3D阻抗傳感器，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3D細(xì)胞或類(lèi)器官的對(duì)于不同藥物的反應(yīng)。

圖33D阻抗傳感器。(a)3D阻抗傳感器的構(gòu)造；(b)3D阻抗傳感器的等效電路；(c)八通道的3D阻抗傳感系統(tǒng)；(d)實(shí)時(shí)檢測(cè)3D細(xì)胞和基質(zhì)膠的細(xì)胞生長(zhǎng)曲線結(jié)果

如果僅僅檢測(cè)細(xì)胞的增殖與凋亡這一參數(shù)，對(duì)于類(lèi)器官芯片最重要的應(yīng)用藥物篩選來(lái)說(shuō)顯然不夠全面。比如作用于心臟或是神經(jīng)細(xì)胞的藥物，我們需要了解其對(duì)細(xì)胞發(fā)放電信號(hào)的頻率和幅值的改變。這就需要仿生芯片與微電極陣列(MEA)傳感器的結(jié)合。Frega等人構(gòu)建了動(dòng)態(tài)檢測(cè)3D海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的MEA傳感器芯片。體外3D神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是將細(xì)胞培養(yǎng)在功能型支架上構(gòu)成的，這種體系將對(duì)刺激和記錄神經(jīng)元活動(dòng)和研究神經(jīng)生理學(xué)機(jī)能有很大幫助。筆者團(tuán)隊(duì)也做了此方面研究(圖4)：將原代心肌細(xì)胞種植在通過(guò)3D打印制成的具有空間結(jié)構(gòu)的支架上，打印的墨水材料為聚乳酸和聚己內(nèi)脂。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培養(yǎng)，心肌細(xì)胞之間會(huì)相互連接形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)產(chǎn)生有節(jié)律的電信號(hào)發(fā)放。我們?cè)O(shè)計(jì)的MEA芯片可以檢測(cè)生長(zhǎng)在3D支架上的心肌細(xì)胞胞外場(chǎng)電位信號(hào)(EFP)幅值和發(fā)放頻率，以及不同藥物對(duì)電位信號(hào)的影響，同時(shí)在不同材料和形狀的支架里選擇最優(yōu)的方案。

圖4 基于MEA傳感器的3D心肌細(xì)胞監(jiān)測(cè)

除了電位信號(hào)，類(lèi)器官培養(yǎng)微環(huán)境中的各種離子和蛋白大分子標(biāo)志物的含量也是藥物篩選中重要的指標(biāo)。在基礎(chǔ)生物學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，光尋址電位傳感器(LAPS)通常用于監(jiān)測(cè)細(xì)胞的代謝，主要是能量代謝產(chǎn)生的酸性產(chǎn)物的檢測(cè)。細(xì)胞通過(guò)新陳代謝維持正常的生理活動(dòng)，細(xì)胞攝入各類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)糖酵解或者呼吸作用，產(chǎn)生能量ATP，同時(shí)排出乳酸或者二氧化碳，這些酸性產(chǎn)物會(huì)發(fā)生水解產(chǎn)生氫離子，因而能量代謝最終會(huì)引起酸性物質(zhì)的產(chǎn)生，并使胞外微環(huán)境中的pH降低。這種pH的波動(dòng)可以通過(guò)相應(yīng)光生電流的信號(hào)變化被LAPS傳感器檢測(cè)到。另外LAPS還能檢測(cè)Na+、K+、Ca2+

等離子以及多肽蛋白等生物大分子，是一個(gè)真正能達(dá)到多參數(shù)檢測(cè)的傳感器。目前所知，國(guó)內(nèi)外關(guān)于類(lèi)器官芯片與LAPS傳感器結(jié)合的研究很少，筆者團(tuán)隊(duì)是其中之一。我們?cè)O(shè)計(jì)了將LAPS芯片集成在類(lèi)器官培養(yǎng)腔內(nèi)的原位檢測(cè)芯片(圖5)以及將類(lèi)器官培養(yǎng)微環(huán)境中的溶液通過(guò)微流控導(dǎo)入到LAPS芯片上的復(fù)合系統(tǒng)。在微流控系統(tǒng)的幫助下，PDMS培養(yǎng)腔內(nèi)的3D細(xì)胞或類(lèi)器官可以長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)，相應(yīng)的物質(zhì)檢測(cè)也可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行。通過(guò)對(duì)LAPS芯片分析類(lèi)器官培養(yǎng)微環(huán)境中各項(xiàng)代謝產(chǎn)物的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)類(lèi)器官生理狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

圖53D多參數(shù)LAPS傳感器。(a)各種代謝產(chǎn)物通過(guò)芯片上不同的敏感膜進(jìn)行原位檢測(cè)；(b)培養(yǎng)在PDMS腔體內(nèi)的3D細(xì)胞；(c)、(d)3D多參數(shù)LAPS芯片斜視圖和側(cè)視圖

人體仿生芯片展望

類(lèi)器官仿生芯片能在體外近乎真實(shí)地模擬人體內(nèi)的生理和病理狀態(tài)，從而能預(yù)測(cè)藥物或是其他刺激所產(chǎn)生的應(yīng)對(duì)反應(yīng)。這在基礎(chǔ)生命科學(xué)研究、臨床疾病模擬和新藥研發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。類(lèi)器官仿生芯片一個(gè)最重要的應(yīng)用是藥物篩選，因此不同種類(lèi)的癌癥類(lèi)器官芯片將在藥物評(píng)價(jià)中發(fā)揮重大作用。由于藥物在人體內(nèi)需要經(jīng)歷吸收、分布、代謝、排泄的一整套過(guò)程，因此多種類(lèi)器官芯片通過(guò)微流控技術(shù)連接起來(lái)可以研究藥物對(duì)不同器官的藥效以及相應(yīng)的副作用，這也就是人體芯片的全新概念(圖6)。人體芯片的研究為藥物研發(fā)、疾病認(rèn)識(shí)、化學(xué)品和毒素檢測(cè)等領(lǐng)域提供了一種更接近生理狀態(tài)的體外模型，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。由于人體器官仿生芯片高度模擬人體狀態(tài)這一特點(diǎn)，在未來(lái)將很有可能替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，這大大減少了藥物研制的成本和進(jìn)行臨床前人體實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，同時(shí)能更加了解新藥的毒性作用和人體對(duì)藥物的代謝反應(yīng)。

圖6 多器官人體仿生芯片示意圖

人體器官仿生芯片作為人類(lèi)健康領(lǐng)域的高精尖技術(shù)，在疾病研究、個(gè)性化醫(yī)療、毒性預(yù)測(cè)和新藥研發(fā)等各領(lǐng)域都起著非常重要的作用，它的發(fā)展前景吸引了各方面的關(guān)注，不久的將來(lái)會(huì)孕育出杰出的科學(xué)突破。伴隨著該技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，未來(lái)利用人體器官芯片的組合連接有可能構(gòu)建一種完整的生命模擬系統(tǒng)，這將徹底改變我們了解自身的方式，為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科研究提供一種整體性和系統(tǒng)性的解決方案。