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器官芯片（ORGAN ON CHIP）是復制生物器官關(guān)鍵功能的微型工程仿生系統(tǒng)。這些微器件提供了比傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)更精確的模型，用于模擬復雜的細胞 - 細胞和細胞 - 基質(zhì)相互作用。因此，它們可能代表了制藥和化學應用非常有趣的工具。它們還允許研究特定器官的人體生理學，從而能夠開發(fā)新的體外疾病模型。

從3D細胞培養(yǎng)到芯片上的器官

在3D細胞培養(yǎng)中，細胞在人工創(chuàng)造的微環(huán)境中培養(yǎng)，使它們能夠在所有三個維度上生長并與周圍環(huán)境相互作用。它們是可提供三維細胞培養(yǎng)的優(yōu)勢幾種培養(yǎng)工具，，如細胞外基質(zhì)或支架，旋轉(zhuǎn)式生物反應器，微載體或懸滴板。

3D細胞培養(yǎng)為細胞提供了比常規(guī)2D細胞培養(yǎng)物更加類似于體內(nèi)微環(huán)境的微環(huán)境，增強了分化功能的表達并改善了組織結(jié)構(gòu)。因此3D球體是細胞遷移，分化和生長的改進模型。此外，在三維中培養(yǎng)的細胞具有較好的極化程度，并表現(xiàn)出與二維培養(yǎng)細胞不同的基因表達水平。

例如，三維細胞培養(yǎng)可用于模擬健康和癌性乳房組織模型中的腺泡結(jié)構(gòu)（類似多葉狀漿果的細胞群，例如a raspberry, acinus is Latin for “berry）。這些球體比傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)更適合長期藥物篩選。

然而，3D細胞培養(yǎng)不能再現(xiàn)對其功能至關(guān)重要的活體器官的特征，例如組織 - 組織界面（例如上皮細胞和血管上皮細胞之間），化學物質(zhì)或氧梯度或微環(huán)境的機械作用。

器官芯片（ORGAN ON CHIP）利用微流體和微制造的優(yōu)勢來克服這些限制，以便更好地模擬活體器官的微觀結(jié)構(gòu)，動態(tài)力學性質(zhì)和生化功能。

細胞生物學微細加工技術(shù)

器官芯片依靠兩種核心技術(shù)。第一個是微流控技術(shù)，它可以處理少量的液體，并可以精確控制流體流量或創(chuàng)建濃度梯度。利用微流體技術(shù)，營養(yǎng)物質(zhì)和其他化學信號可以以非?？煽氐姆绞絺鬟f。

第二個是微制造（光刻，復制模制，微接觸印刷），非常適合于制造微結(jié)構(gòu)，從而控制細胞的形狀和功能。

早期的微系統(tǒng)使用硅微制造，導致復雜和昂貴的微制造過程。為了克服這個限制，研究人員開發(fā)了由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的微流體系統(tǒng)。PDMS具有多種特性，使其特別適用于制造細胞或組織培養(yǎng)用微器件。首先，PDMS具有豐富的氣體滲透性，確保向微通道內(nèi)的細胞供氧。這消除了對于硅，玻璃或塑料器件中的細胞培養(yǎng)通常需要的外部充氧器的需要。然后，由于其光學透明度，PDMS實現(xiàn)了活細胞成像。最后，PDMS非常靈活，可以使用芯片閥門或通過PDMS局部變形對細胞施加機械作用。

但是，PDMS也有缺點。PDMS用于細胞培養(yǎng)的主要缺點是PDMS傾向于吸附其表面上的小分子。

器官芯片模型

許多組織模型都是由工業(yè)或?qū)W術(shù)實驗室開發(fā)的。這里我們提供一些關(guān)于器官芯片模型的簡短概述。

腸道芯片

腸道器官芯片是一個非常重要的藥物篩選模型。當口服給藥時，藥物主要被小腸吸收，然后通過兩個屏障擴散：粘膜層和腸壁的上皮細胞層。腸道芯片是一個復雜的模型，應該考慮幾個特征：細胞組成（主要是腸細胞和杯狀細胞），結(jié)構(gòu)特征（絨毛和粘液）和動態(tài)特征（腸道運動，稱為蠕動）。

Kimura等建立了一個腸道模型，其中有兩個獨立的通道，由半透膜隔開，細胞接種和培養(yǎng)。

哈佛大學的Wyss研究所也以相同的原理實現(xiàn)了“gut-on-a-chip”，它也定期延伸以模仿腸道的蠕動運動。另外，研究人員能夠在器官芯片上生長常見的腸道微生物。

肝臟芯片

肝臟芯片是評估藥物毒性的關(guān)鍵因素。實際上，有一半的藥物提取是由于急性肝毒性。

Midwoud等人開發(fā)了一種芯片上的微流體肝臟，將肝臟和腸道切片整合到隔室之間，在隔室之間連續(xù)灌注以研究機體間的相互作用。

肺芯片

肺上皮受到各種環(huán)境攻擊，如病原體或污染。因此肺芯片將成為環(huán)境應用的優(yōu)秀模型。

Huh等人在柔性膜上培養(yǎng)上皮細胞，肺泡上皮細胞和免疫細胞。將培養(yǎng)基泵入下部通道以模擬通過肺微血管的血流。兩側(cè)中空通道周期性地充氣和放氣以模擬生理呼吸運動。

腫瘤芯片

癌癥研究面臨的最大挑戰(zhàn)之一是開發(fā)出針對癌細胞的藥物，但要保留完好的健康細胞。

為建立腫瘤相關(guān)模型，包括多細胞球體、中空纖維和多細胞層模型，已開發(fā)出不同的策略。灌注系統(tǒng)用于向這些3D模型提供治療藥物，模擬血液供應給腫瘤細胞。

肌肉芯片

骨骼肌在糖尿病患者中起著重要的作用，因為它們對葡萄糖穩(wěn)態(tài)的貢獻。在芯片骨骼肌模型中，需要有結(jié)構(gòu)特征(肌管對齊和裝配到肉瘤)，以及植入電極來刺激肌肉收縮。

芯片上的肌管排列是通過襯底模式或剛度實現(xiàn)的。Kaji等通過微電極陣列對肌管的收縮性與葡萄糖攝取的正相關(guān)關(guān)系進行了研究。

多器官芯片

所有這些器官芯片都可以用來預測藥物對整個身體的毒性。在這些動物芯片或人類芯片系統(tǒng)中，代表不同器官的多個芯片與通道相連。

然而，盡管這一領(lǐng)域取得了重大突破，但仍存在一些挑戰(zhàn)，如使用人類的原始細胞代替癌細胞，監(jiān)測細胞對刺激的反應，或控制微環(huán)境的質(zhì)量(代謝物，氧飽和度，pH)的質(zhì)量。