​类器官芯片在疾病体外模型中的应用

类器官芯片是利用器官芯片独有的优势，体外构建类器官可控的理化微环境，使得类器官更能反应来源组织器官的结构和功能，从而更好地模拟器官的生理和疾病状态，是目前最具潜力的疾病体外模型之一。

本文概述了传统类器官、器官芯片以及类器官芯片在疾病体外模型构建中的应用进展，提出了类器官芯片在疾病模型构建中存在的问题及可能解决的方案。

器官芯片（Organ-on-a-chip）基于微流控芯片技术在体外模拟人体组织器官功能单元的微型细胞/组织培养载体，包括功能单元必须的基本元件和元素，如多细胞组分、细胞外基质、微环境理化因素等。同时，器官芯片结合成像仪器实时监控细胞生物学变化等，更好地记录细胞在疾病状态下的行为学变化以及对药物反应的全过程。

将器官芯片与类器官相整合而形成的类器官芯片技术利用芯片载体的优势弥补类器官培养方式的不足，促进类器官结构更仿生，功能更成熟，实现多器官相互作用等，使得类器官的疾病模型更具有人类疾病的特征。

类器官芯片疾病模型构建方法

类器官疾病模型

类器官是类器官芯片构建的主要研究对象，也是构建疾病模型的核心部分。目前，类器官疾病模型细胞来源主要有4种：

（1）病人疾病组织；

（2）正常组织来源的类器官，体外再经过理化因素刺激后形成具有病理特征的类器官；

（3）健康人来源的诱导性多潜能干细胞（hiPSCs）经过特定致病基因编辑或理化刺激等，体外诱导为具有病理特征的疾病模型；

（4）病人来源的hiPSCs体外直接定向分化为具有某一病理特征的类器官。

肿瘤病人来源的类器官（patients derived organoids，PDOs）是目前成功构建种类较多的疾病模型，并在药物开发、个性化治疗等领域展示了巨大的发展潜力。目前已经培养的肿瘤类器官包括肺癌、肠癌、胃癌、卵巢癌等。体外培养的肿瘤来源的类器官在表型和基因组学上与其来源的肿瘤组织有高度的相似性。

利用正常体细胞成功构建了多种类器官，包括肠、肺、肝、乳腺等类器官。这些类器官无论在生理结构还是组织功能上，都与源器官具有一定的相似性，可以广泛应用于组织器官发育学研究、再生医学、毒性测试和药物开发等领域。此外，对于某些疾病无法获得疾病状态的类器官，也可以通过正常组织类器官培养后，在体外经过基因编辑和异常刺激构建具有特定病理特征的类器官。

研究者利用多能干细胞和成体干/前体细胞也构建了多种疾病模型。这些干细胞主要来源于正常或患者的胚胎干细胞（hESCs）以及成体细胞体外重编程为诱导性多潜能干细胞（hiPSCs），再经过体外定向诱导分化为特定的具有疾病特征的类器官，用于研究疾病发病机制。

器官芯片病理模型

早期的器官芯片主要是利用成熟的细胞系为研究对象，在微流控芯片载体上构建人体组织器官功能单元的微生理系统（Microphysiological systems，MPS），如肺、肝、肾、肠等单一器官芯片模型。

以肺芯片为例构建的肺功能单元包括肺泡的气-血屏障和肺气管单元。根据不同疾病的特点进行芯片结构的微调，以及选择不同的细胞，建立多种肺部疾病模型。在肺芯片的各种病理模型中，可以从细胞水平进行实时、高清晰的观察和监测，这在动物和人体病理过程中很难实现。

肝脏是重要的代谢和解毒器官。多款肝芯片模型可用于模拟药物代谢、药物互作、肝毒性、炎症和感染等病理过程。在肝器官芯片模型中，从最初简单的一种肝细胞培养到肝细胞-肝星形细胞-肝窦内皮细胞-Küpffer细胞多种细胞共培养模拟肝窦的功能单元，结构和功能都更接近体内肝脏器官。

肾脏的主要功能单元包括肾小球滤过单元和肾小管重吸收单元。研究人员利用肾器官芯片模拟了糖尿病肾病、高血压引起的肾小球损伤等病理过程。通过3D打印技术构建动态可灌注的管样结构，将人器官特异的细胞和ECM水凝胶灌注到不同的微型管道中，满足体外模拟肾毒性和高血糖引起肾脏疾病的需求。

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针对某些疾病具有多器官累及的特点，以及药物在人体治疗过程中存在吸收、传递、代谢、排泄、毒性等涉及多器官相互作用，多器官评价等，研究人员灵活设计器官芯片，成功构建了多器官芯片模型。多器官芯片模型根据人体组织器官功能单元的特点以及多器官相互作用，引入了流体、压力、牵张力、化学梯度等不同的理化刺激，实现了多个器官来源的细胞长期共培养，还可以在同一个芯片上评估药物的代谢、毒性和药效等。

免疫系统包括多种免疫细胞和组织器官，如血液当中各种淋巴细胞、淋巴结、脾脏等器官。疾病的发生大多有免疫细胞的参与，且累及多个组织器官。构建具有免疫因素在内的多器官芯片系统模拟免疫相关的病理过程，有望部分以及逐步替代人源化工程小鼠等动物模型。

多器官集成的人来源的细胞种类越多，功能越全面，就越接近人体，未来的人体芯片有望替代部分动物实验，成为更可靠的药物临床前研究的体外模型。

类器官芯片在疾病模型中的应用

器官芯片以工程化的手段在微流控芯片上创造出包括多细胞、组织-组织界面、可控流体灌注、理化因素参与等复杂微环境成分，具有高集成、高通量、多种传感器实时监测、集成成像器件实时观察等优势。

器官芯片的优势之一是可以形成可控的生化分子的浓度梯度，这在组织器官发育是比较常见的生理现象。研究者利用一对微通道结合包含ESC的水凝胶形成sonichedgehog（Shh）和骨形成蛋白（BMP）相对稳定的浓度梯度，在该梯度的作用下，ESC通过自分泌和外界刺激的作用下，自组装并分化成运动神经元，形成与体内相似的神经管样结构。

• 肠类器官芯片疾病模型

胃、肠等类器官，是利用组织来源的干/前体细胞在基质胶内形成多细胞囊状结构的微型组织。但是正常人体肠道组织功能单元的微环境包括肠道平滑肌舒缩产生的蠕动，以及食物在局部产生的流体样的剪切力等机械力刺激，传统类器官培养微环境无法满足这些生理条件。

研究人员结合器官芯片技术构建肠黏膜界面芯片（PMI Chip），可模拟正常小肠生理环境和以及多种疾病（包括克罗恩病、溃疡性结肠炎、结肠癌）。此外，在低氧环境下，肠细胞与人粪便来源的细菌共培养，形成随机的菌落来模拟肠道细胞与菌群的共生微环境。该芯片可为各种肠道疾病机制研究提供了更加真实的可靠的体外模型。

• 胰腺类器官芯片疾病模型

囊性纤维化（CF）病理改变发生在多种重要脏器，如肺、胰腺、胃肠道等。其中囊性纤维化跨膜转运调节因子（CFTR）缺陷是导致囊性纤维化的主要原因。

Mun等研究者利用CFTR缺陷病人来源的胰腺导管上皮细胞（PDECs）和胰岛构建胰腺类器官芯片用于模拟胰腺囊性纤维化病变。研究结果提供了胰岛内分泌功能受临近胰腺导管上皮细胞调控的直接证据。

• 脑类器官芯片疾病模型

hiPSCs来源的脑类器官可以模拟胎儿早期大脑的发育过程。目前结合器官芯片技术构建多种hiPSCs来源的脑类器官芯片病理模型，如模拟胎儿脑发育过程中因为母体受到烟草、药物等外界刺激导致胎儿脑发育异常的病理过程。

该芯片可以实时观察脑发育的整个过程，也可以结合常规组织学和分子生物学的方法研究病理分子机制。

• 视网膜类器官芯片疾病模型

hiPSCs来源的视网膜类器官为眼部疾病研究提供了重要的细胞来源。Achberger等成功将hiPSCs诱导分化为视网膜类器官（ROs），诱导过程耗时180多天。为了进一步模拟人视网膜的真实组织解剖学上的微结构，结合器官芯片技术，构建了双层培养腔室的视网膜类器官芯片。此外，研究者利用视网膜类器官芯片建立了抗疟疾药物（奎宁）和抗生素（庆大霉素）2种药物引起的视网膜病变模型。

• 肝-胰岛多类器官芯片糖尿病模型

基于hiPSCs来源的类器官芯片，可以实现同一个患者来源的多类器官相互作用研究。2型糖尿病（T2DM）是多器官累及的代谢性疾病。其中肝和胰岛在疾病发生发展中发挥关键性作用。

国内Tao等构建可灌注的肝-胰岛类器官共培养芯片，模拟糖尿病，进行人糖耐量（GTT）实验，成功模拟胰岛分泌的胰岛素促进肝脏对糖的利用。另外，该系统可模拟T2DM，并检测高糖条件下胰岛和肝类器官对抗糖尿病药物二甲双胍的反应。该模型基础上集成其他脏器，可进一步模拟糖尿病的病理过程及药物对糖的调控作用，也可以实现同一患者的药物个性化治疗。

类器官芯片亟待解决的技术问题

类器官的获取和保存是类器官芯片应用必要前提。现有患者来源的类器官培养成功率较低，主要与疾病的病理分型、疾病的严重程度等有关系，导致同一培养体系下，部分患者来源的类器官难以成功构建。因此，需要在设计器官芯片过程中考虑高通量的类器官培养配方的筛选功能，在类器官培养早期筛选出病理相似患者的培养基配方。

在类器官来源方面，引入干细胞库，构建干细胞来源的多种类器官库，用于疾病机制和药物开发等领域，替代传统细胞系和部分动物实验。

大多数疾病属于慢性疾病，受到自身和外界的长期刺激，如糖尿病、慢性肝病等。因此，在器官芯片技术方面，需要解决类器官长期培养等问题。目前部分类器官体外培养可达到1年以上。促进干细胞来源的类器官成熟和血管化也是实现长期慢性病模拟的方法。

在类器官芯片疾病模型监测过程中，除了引用电极、电化学等方法，仍需要影像学实时监测类器官在疾病状态下的动态变化。因此需要人工智能（AI）和计算机模拟等，对疾病状态下类器官的不同形态和表型进行识别，创建特定疾病状态下的图谱和标准化评价体系。

未来，还需要加强类器官芯片模型技术上的突破，开发出结构和功能更复杂、更仿生的人源化类器官芯片模型，最终实现替代动物模型和人体实验，为疾病机制研究和药物开发提供更稳定更可靠的平台和技术手段。

本文作者：王丽，骆沙曼，张淼，魏文博，邱君君

作者简介：王丽，复旦大学生物医学研究院，副研究员，研究方向为类器官与器官芯片技术开发及应用；魏文博（通信作者），深圳大学第一附属医院、深圳市第二人民医院，助理研究员，研究方向为微流控与器官芯片技术在生物医学工程领域应用；邱君君（共同通信作者），复旦大学附属妇产科医院，副主任医师，研究方向为妇科肿瘤。

论文全文发表于《科技导报》2022年第12期，原标题为《类器官芯片在疾病体外模型中的应用》

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