什么是芯片上的器官？

一、体外细胞培养

体外细胞培养平台对现代研究、临床研究和药物开发至关重要。一个多世纪以来，培养皿一直是体外细胞培养的基石。这项技术的发明者朱利叶斯·理查德·佩特里打算将其用于微生物培养。时间证明了它在生物医学领域的广泛性与有用性。一个多世纪以来，这些器件已经被制作成了大量的材料设备，并成为了生物学领域的突破性研究。

然而，随着科学的不断进步，人们发现培养皿并不能完全还原体内生物的真实情况。换句话说，培养皿无法重现体内细胞的生理环境。

当在塑料或玻璃板上培养细胞时，我们忽略了体内细胞微环境所带来的诸多刺激，而这些刺激却极大地影响着细胞在人体内的行为与作用。西班牙哲学家奥尔特加·加塞特曾说过：“我是我自己和我周围的环境”。无独有偶，细胞生物学同样认为，“细胞就是它们自己和它们的微环境”。如果不能正确地重建这种微环境，我们在研究时，将完全歪曲体内细胞的整体行为。

这一思路使全球的工程师和生物学家开始致力于开发新一代细胞培养平台，以满足再现细胞微环境这尚未实现的需求。在这些新的细胞培养平台中，其中最有前途的是微流控设备。

二、微流体学

微流体学是一门研究微尺度流体操作的科学，其方法是将流体流动限制在10^{-6}-10^{-3}m尺寸的通道中。这些应用于细胞培养的平台被称为“芯片上的器官”，允许细胞接受类似体内的机械、电气和化学刺激。

Beonchip则致力于这些平台的设计、开发和商业化。我们多元化的学科团队，其中包括生物学家、工程师和物理学家，每天都致力于开发新的细胞培养平台和模型，以充分还原生物生命过程，并产生比经典体外模型更可靠的结果。我们的最终目标是通过新一代药物研发体外平台的创建和新临床生物标志物的鉴定，减少药物研发和毒性试验中对动物的使用，并加快疫苗研发进程。此外，减少动物研究而支持体外研究可以节省研究人员和制药公司研发的时间和成本。

三、芯片上器官技术如何再现人体的生理环境？

首先，在流体通道中使用微通道和分隔室，可以使相关物质和特定蛋白质有组织地进行沉积，从而模拟出细胞外基质。这使得细胞能够像在体内一样进行粘附和相互作用。

其次，我们所研究的特定组织将连接一个介质流，这个介质流类似于流经毛细血管的血流，可以灌溉生物组织。这种流动会对特定组织产生物理压力（剪切应力），进而直接影响细胞的表达形态。

此外，这种流动也会由于氧气和营养梯度的产生间接导致细胞迁移与分化。芯片上器官技术的最大优势之一是可以通过添加药物、免疫系统细胞、病毒、细菌等其他微生物，将微生物组复制到芯片灌注的介质中。

因此，将不同类型的细胞组合在一个类似体内的结构中，并引入这个组织在体内所受到的所有物理和化学刺激，我们就可以重建器官或组织的一部分，来构建一个功能单元。

这些功能单元可以相互连接来模拟出体内不同器官的串扰，因此可以研究这个相互连接的系统里所产生的各种复杂生化反应，这个概念则被称为体芯片。值得一提的是，美国怀斯研究所的研究人员开发了这项技术的一个例子，他们将芯片上的肠道与肝脏和肾脏连接起来，以评估口服某个药物的效果。在肠壁吸收后，该药物通过模拟的循环系统被运输到肝脏进行代谢，最后到达肾脏排出体外。

从长远来看，这项技术将用于个性化医疗服务。即从患者身上提取出细胞并培养在芯片中，在体外复制患者的疾病。这种复制品将允许医生和生物学家测试不同的药物和治疗方法，以观察哪种疗法最适合不同的病人。

我们在Beonchip的目标是随着芯片器官技术的发展，实现本文提到的所有目标，在我们内部研发团队的帮助下，密切帮助我们的客户采用新一代细胞培养平台。我们将继续致力于开发这些创新平台，为更高效、更具伦理道德的生物医学研究领域铺平道路。

四、微流控设备-芯片上皮肤模型示意图

上图显示了如何在微流控设备中重建芯片上皮肤模型的示例。该装置可以通过多孔膜将培养井与微流控通道连接起来，从而研究复杂的培养结构。在这个装置中，可以重建灌溉皮肤组织的血管，覆盖分离通道的膜，并与内皮细胞很好地进行结合。真皮主要由胶原和成纤维细胞组成，利用水凝胶中成纤维细胞的三维培养进行模拟。在水凝胶聚合后，我们可以在气液界面培养一层角化细胞。这种培养条件有利于不同层系的外延生长。

参考文献：

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

2. Altas de histología. Facultad de Medicina. Universidad de Zaragoza. http://wzar.unizar.es/acad/histologia/

审核编辑 黄昊宇