点成案例| 器官芯片——呼吸系统疾病模型和药理研究的未来

01 传统模型的局限性

二维模型的培养环境会影响细胞的形态、细胞分裂方式、基因表达和细胞分泌和生理功能。

而且细胞也会丧失极性，影响细胞的重要信号通路，二维模型也不具备生理机械信号的刺激。

听说还有动物实验模型，这个体外模型怎么样呢？

动物模型研究有滞后性，而且在动物身上起作用又不一定适合人类，实验程序和饲养动物的环境条件发生变化，生理过程中的种间变异以及遗传等因素，都会导致模型功能异常。

那听起来真是山重水复没有路了。

不是的，还有器官芯片呢，科研界的柳暗花明！听我给你细细道来~

02 器官芯片的定义

传统2D模型和动物实验模型都具有一定的局限性，从而推动了大量研究向替代模型的发展。器官芯片逐渐就成为弥补这些局限性的不二选择。

微流控芯片是利用微工程技术在三维(3D)系统中培养细胞，当然也包括培养类器官。类器官是器官特异性的多细胞3D培养，概括了相应器官的一些关键结构和功能特性。

器官芯片应用于生物医学研究的微流控芯片已经迅速发展，器官芯片就是一种用于细胞培养的微流体装置，它由连续灌注的腔室组成，腔室由活细胞组成，用来再现组织的生理功能。

03 器官芯片的发展潜力

与传统的2D细胞培养系统相比，器官芯片设备能更好地复制微架构、微环境和组织与组织的界面，帮助研究复杂的人类器官和细胞的生理过程，这是一大研究创新与突破。下面将详细介绍肺芯片的有关概况。

在肺类器官方面，广泛的研究已经从多种来源开发肺类器官，包括人类多能干细胞(hPSCs)、原代呼吸细胞和旨在模拟肺的细胞系发育、再生和疾病产生等方面。

肺器官芯片细胞培养装置可复制和模拟人肺的3D微体系结构和微环境、呼吸运动以及人肺的主要生理功能，已经显示出研究人类的生理和疾病的病因的潜力。

04 肺芯片技术

1、基于光刻的微加工技术

研究员首先使用lithog-raphy-based微制造技术设计了一种聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)肺芯片模型。该模型由上下微通道组成，由一层薄薄的(10μm)柔性微孔胞外基质(ECM)包被膜隔开(如图的A、B)。

在纤维连接蛋白或胶原蛋白包被的多孔膜上，其上半部由培养的人肺泡上皮细胞组成，下半部由培养的人肺毛细血管内皮细胞组成。

当肺泡细胞融合，将上通道的介质吸出，这样就与肺泡细胞形成了一个气液界面，下通道维持培养基连续流动。柔性PDMS侧壁有规律的机械拉伸和中央多孔膜与粘附的细胞层拉伸，模仿了生理呼吸运动。

使用相同的技术，其他研究人员设计了另一个包含上皮细胞气道的微流控肺模型。将这些细胞分别培养在气液界面，肺成纤维细胞和微血管内皮细胞三个垂直堆叠的腔室中，每个腔室由纳米孔膜隔开(图D)。

2、热塑性塑料技术

器官芯片领域相关研究员开发了一种肺芯片上气道的热塑性芯片(图C)。芯片复制模拟了肺气道微环境中光滑肌肉细胞(SMCs)、上皮细胞(ECs)以及支持ECM(胶原、基质或两者结合)之间的相互作用。

该芯片含有气液界面培养的上皮细胞，悬浮水凝胶层代替了培养SMCs的膜和介质物。该装置可拆卸提取悬浮水凝胶进行进一步分析，可用于研究SMC、EC和细胞基质在慢性肺部疾病(CLDs)发展中的相互作用。

参考文章：

Lung-on-a-chip: the future of respiratory disease models and pharmacological studies Biotechnology, 40:2, 213-230, DOI:10.1080/07388551.2019.1710458