?器官芯片是什么？

類器官是利用3D培養(yǎng)技術(shù)在體外對(duì)干細(xì)胞或器官祖細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)分化而形成的三維多細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和功能更加接近目標(biāo)器官或組織，是一種體外的、自我組織的3D的微組織或器官。

器官芯片（organ-on-a-chip），器官芯片是類器官在生物技術(shù)維度的延伸，通過(guò)細(xì)胞在體外芯片中進(jìn)行三維培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)模擬人體器官功能的新興技術(shù)。可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)類器官培養(yǎng)技術(shù)的不足，它是以微流控芯片技術(shù)為核心，在微環(huán)境水平上通過(guò)控制流體灌注、牽張力和化學(xué)梯度等，促進(jìn)器官結(jié)構(gòu)更仿生和功能成熟，具有更復(fù)雜、更仿生、可控性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。器官芯片在新藥研發(fā)、疾病模型、個(gè)性化醫(yī)療和航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

?器官芯片的誕生與發(fā)展

器官芯片已經(jīng)成為疾病研究的重要工具，在疾病如心血管疾病、腫瘤等模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，不僅可以用于探索疾病機(jī)制、藥物發(fā)揮作用的機(jī)理，而且有助于相應(yīng)新藥的篩選、研發(fā);

例如在藥物開(kāi)發(fā)階段，細(xì)胞模型成本低、操作簡(jiǎn)單，但是檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際相差巨大；動(dòng)物模型可以提供一定的體內(nèi)信息，但仍存在種屬差異、倫理問(wèn)題、對(duì)實(shí)際人體反應(yīng)預(yù)測(cè)能力較差等不足，并消耗著大量的時(shí)間與金錢(qián)成本。細(xì)胞模型和動(dòng)物模型的種種問(wèn)題，都在不斷地提示，能否有一種全新的模型，在藥物研發(fā)過(guò)程中，降低成本、精確仿生、提高成功率、消滅倫理問(wèn)題、消除物種差異。

類器官芯片，就是這樣一種全新的模型。

器官芯片在感染性疾病領(lǐng)域已經(jīng)展露頭角，成為解密病原微生物感染過(guò)程與宿主相關(guān)作用、免疫反應(yīng)、抗感染藥物作用機(jī)理、新型抗感染藥物研發(fā)的重要助手;

在精準(zhǔn)治療中，器官芯片可以構(gòu)建包含血管、成纖維細(xì)胞、免疫細(xì)胞等更接近腫瘤實(shí)際狀態(tài)的模型，不僅可以更加真實(shí)的反映化療、靶向治療等，而且可以克服類器官難以評(píng)價(jià)的抗血管治療、免疫治療

器官芯片系列產(chǎn)品

生命科學(xué)研究不斷邁向縱深，傳統(tǒng)研究手段的局限性逐漸凸顯。在此關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，艾瑋得生物憑借深厚技術(shù)積累與創(chuàng)新精神，強(qiáng)勢(shì)推出一系列人體器官芯片。其打破常規(guī)，以設(shè)計(jì)與前沿技術(shù)，模擬人體器官微環(huán)境。搭配精心研制的配套設(shè)備，為生命科學(xué)研究提供嶄新路徑，開(kāi)啟精準(zhǔn)生物醫(yī)學(xué)研究新時(shí)代，在生物科研領(lǐng)域持續(xù)突破的進(jìn)程中，傳統(tǒng)研究工具漸漸難以滿足日益增長(zhǎng)的探索需求。艾瑋得生物以芯片設(shè)計(jì)為核心引擎，全力投入器官芯片及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)創(chuàng)新。其打造的器官芯片，以精妙入微的設(shè)計(jì)，更好的模擬生物體內(nèi)器官的環(huán)境。

配以自主研發(fā)的配套設(shè)備，為生物科研開(kāi)拓出一條高效精準(zhǔn)的全新賽道。

產(chǎn)品介紹

器官芯片

多款標(biāo)準(zhǔn)化器官芯片，可用于藥物篩選、藥敏檢測(cè)、疾病模型構(gòu)建、器官模型構(gòu)建、藥品安全性與毒理檢測(cè)、基礎(chǔ)科學(xué)研究等。

生命科學(xué)設(shè)備

提供專業(yè)的生命科學(xué)設(shè)備解決方案，包含智能顯微分析系統(tǒng)、微型培養(yǎng)盒、搖擺灌注儀、器官芯片灌流控制系統(tǒng)、自動(dòng)化液體處理工作站等，配套齊全、智能便捷。

圖1 無(wú)膜屏障芯片血管模型結(jié)構(gòu)示意圖

選取高通量無(wú)膜屏障芯片，通過(guò)在芯片的中間通道加入水凝膠，在一側(cè)通道接種HUVEC（人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞）細(xì)胞懸液，培養(yǎng)3-5天后，獲得穩(wěn)定的、可灌注的3D血管模型。該模型模型具有高度的仿真性，在形態(tài)學(xué)上重現(xiàn)了體內(nèi)血管的管狀結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)皮細(xì)胞層的連續(xù)性和完整性，細(xì)胞極性等；在生理功能上具有完好的通透性和屏障功能，功能性內(nèi)皮屏障的形成是成功構(gòu)建血管模型的標(biāo)志之一。

通過(guò)三維重構(gòu)顯示了血管的三維結(jié)構(gòu)，3D血管模型具有完整的單層清晰的管狀形態(tài)，具有可灌注的管腔（圖2）。

圖2  3D血管模型三維結(jié)構(gòu)（綠：VE-cadherin，藍(lán)：DAPI）

通過(guò)免疫熒光染色可觀察到VE-cadherin和F-actin高表達(dá)，表明3D血管模型中內(nèi)皮細(xì)胞排列緊密，結(jié)構(gòu)完整，具有明顯的極性分布（圖3）。

滲透性檢測(cè)

艾瑋得血管器官芯片可以用于物質(zhì)刺激（如新冠病毒、登革熱病毒）血管后的滲透性變化檢測(cè)。血管屏障功能檢測(cè)顯示正常的3D血管模型對(duì)熒光染料（FITC-葡聚糖）的滲透性較低，細(xì)胞因子加入后3D血管模型能夠響應(yīng)刺激，血管通透性發(fā)生變化（圖6）。

圖 6  3D血管屏障功能與細(xì)胞因子刺激檢測(cè)（左：Control，右：TNF-a），進(jìn)行表觀滲透(Papp)定量分析  

體外肺微生理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)選擇了多種肺上皮細(xì)胞系，如BEAS-2B（支氣管上皮細(xì)胞）、NCI-H441（2型肺泡上皮細(xì)胞）、A549和Calu-3，人單核細(xì)胞系（THP-1）和人內(nèi)皮細(xì)胞系（HUVEC），并將它們接種到膜式芯片上。芯片由支氣管和肺泡腔組成，每個(gè)腔室由多孔膜分割為上下兩個(gè)獨(dú)立空間，上層接種肺上皮或支氣管上皮細(xì)胞，下層接種肺血管內(nèi)皮細(xì)胞，這些細(xì)胞在芯片內(nèi)形成了致密的上皮層，模擬了肺部的自然結(jié)構(gòu)。芯片使用多通道流控系統(tǒng)進(jìn)行液體灌注。

B)肺mps的典型構(gòu)建時(shí)間

C)上皮和內(nèi)皮形態(tài)分析

(I)肺- mps transwell樣膜上的肺上皮(BEAS2b)和內(nèi)皮(HUVEC)示意圖。

(II)肺- mps的冷凍切片和H&E染色顯示在低(上)和高(下)放大下膜兩側(cè)存在上皮和內(nèi)皮(第5天)

(III)掃描電鏡(SEM)圖像顯示內(nèi)皮和上皮在膜上生長(zhǎng)(第5天)

(IV)芯片腔內(nèi)內(nèi)皮和上皮的活/死染色，顯示肺- mps細(xì)胞的高活力(第7天)

參考文獻(xiàn)

1.Soragni C, Queiroz K, Ng CP, et al. Phenotypic screening in Organ-on-a-Chip systems: a 1537 kinase inhibitor library screen on a 3D angiogenesis assay. Angiogenesis. 2024 Feb;27(1):37-49

2.Alonso-Roman R, Mosig AS, Figge MT, et al. Organ-on-chip models for infectious disease research. Nat Microbiol. 2024 Apr;9(4):891-904

3.Quintard C, Tubbs E, Jonsson G, et al. A microfluidic platform integrating functional vascularized organoids-on-chip. Nat Commun. 2024 Feb 16;15(1):1452

Chen Z, Huang J, Zhang J, Xu Z, Li Q, Ouyang J, et al. A storm in a teacup -- A biomimetic lung microphysiological system in conjunction with a deep-learning algorithm to monitor lung pathological and inflammatory reactions. Biosens Bioelectron. 2023 Jan 1;219:114772. doi: 10.1016/j.bios.2022.114772. PMID: 36272347