导 读

本篇主要摘要介绍器官芯片的商业背景、发展优势及应用，详细介绍了器官芯片的技术与制造，包括材料、加工与细胞培养。

器官芯片背景及优势

（一）器官芯片定义

器官芯片（Organs-on-chips）：即模拟器官及器官系统活动、生理反应等的多通道微流体3D细胞培养微系统。

组成：在塑料、玻璃或柔性聚合物等芯片基材上，通过微加工技术构造腔体与流道的微结构。腔内模拟人体微环境，并种植细胞，培养成具有一定功能的组织单元。基材微阵列结构、组织细胞以及物理化学微环境共同构成器官芯片。

应用：在构建人体生理模型、药物研发及毒理学研究中有着广泛的应用，尤其应用于高通量药物筛选和开发，能够加速新药的开发并降低成本。

图 1

（二）器官芯片商业背景

新药研发的临床试验失败率很高。候选药物在通过动物试验后仍有近九成概率在临床试验中失败。海外统计单一新药平均开发成本逾10亿美金，其中失败候选药物所耗费成本占据相当比例(45%)。且过往简单的疾病模型越来越难以胜任创新药物模拟。

体外细胞培养模型过于简单，单一组织细胞直接暴露在药物中。忽略了器官及不同细胞间代谢物、激素以及免疫调节剂等化学物质的交换。因此，这种模型往往不能对人体应答进行完整评估。

动物模型属于完整个体模型，但种属差异会带来细胞、遗传、免疫水平以及药代动力学方面的巨大差异，较难从动物模型来准确推断人体对药物的真实反应。且诸如帕金森、新冠等疾病没有相关的动物模型。

图 2

（三）器官芯片优势

应用器官芯片对临床前药物进行筛选，可预先发现潜在药物的疗效和副反应，从而更好的选择进入临床试验的候选药物，将成功率从10%提高到30%，降低药物研发成本。虽然现阶段该系统尚不完善，但相比动物和体外细胞培养更有发展前景。

未来发展方向：

可控制细胞和特定组织结构，模拟化学梯度、流动、力学等，重现原生环境。

多器官芯片可模拟不同器官间的协同作用或相互影响，提高模型真实度。

芯片结构便于即时观察，纳入标志物及功能传感器，还可监测动态进程。

小型化、集成化，有利于高通量测试，加速实验研究、降低成本。

相比于动物实验，器官芯片采用同种同类细胞，特异性更佳。

图 3

数据来源：高特佳

（四）器官芯片应用

科学研究：构建生理和疾病模型，进行机理研究；

精准医疗：临床指导个性化用药，如肿瘤药物选择；

药物开发：可贯穿从药物筛选、药理药效、毒理试验等全过程。

图 4

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器官芯片技术与制造

（一）器官芯片关键技术

器官芯片属于多学科交叉领域：要系统性的设计结构功能、材料、工艺、细胞培养、检测分析等问题。

材料学技术。是芯片的基础，要求材料满足生物相容性、力学性能、光学性能、易加工、成本适宜等要求；早期多采硅片、玻璃，加工复杂，后应用PMDA (聚二甲基硅氧烷)，气体渗透性好，光学性能好、力学拉伸性佳，但缺点是会吸附小分子物质。

微流控技术。精确控制微量流体，甚至创建浓度梯度，利用微流体技术使营养物质和其它化学信号以可控的方式运动和传递；结合结构和材料等条件，选择精密注塑、光刻、微接触印刷等适宜的微加工方法制造微结构，除了结构性能外，良率和成本也是实现商业化的重要指标。

细胞培养技术。要实现器官芯片功能需要某一器官内的多种组织细胞，甚至不同器官组织的相互配合，往往在空间构型上也有着具体要求，才能实现功能以模拟体内组织的行为和反应；需要对相关细胞进行分离，并以正确的比例和位置构建成器官芯片。但每种细胞类型都需要特定的分离方案和培养条件。芯片内类器官培养的成功率、稳定性是非常重要的指标。

但是器官芯片依旧存在各个器官芯片标准不统一，缺乏相互间横向比较和缺少自动化标准化的过程和检测仪器的问题。

（二）器官芯片制造-材料

材料是器官芯片加工制备的基础, 常见有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃、硅、有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯, PMMA)等。

最常见的是PDMS材料，优点是无毒, 化学惰性, 光学透明, 成本低廉，且具有一定弹性，通过改变成分可以调控刚度。主要缺点是表面比较疏水, 细胞黏附不佳, 通常会在其表面修饰一层纤连蛋白或水凝胶, 促进细胞的贴壁生长。另外PDMS会吸收小分子物质, 如果进行药物筛选, 应考虑其吸收问题。

玻璃和硅材料的主要优势是可采用标准的微纳加工工艺(如光刻、刻蚀等), 加工成形精度高(可达纳米级), 并且具有较好的生物兼容性，但需要专业的加工设备，加工成本高。另外硅透光性差，对芯片组织进行直接观察困难。

图 6

（三）器官芯片制造-加工

设计过程中要根据器官芯片的结构、功能和材料的不同, 采用不同的加工制造工艺。

目前主流的加工方法包括：光刻法、模塑法、微接触压印法、激光刻蚀法、机械加工以及3D打印等，如下图所示：

图 7

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（四）器官芯片制造-细胞

1．细胞来源：

永生细胞系：最常见，形态均一、生长稳定、可直接购买。但特异性低。

原代细胞：从机体中取出后用于培养的细胞，具有个体差异性能够更好地反映个体生理状态，难点在于细胞培养。

干细胞：在合适条件下分化成特定的目标细胞。分化的细胞携带的遗传信息与在体相同，可反映个体的差异性。

2．培养形态：

二维组织：将细胞悬液直接通入芯片中, 细胞沉降在微流道内并贴壁生长,形成二维平面结构。制备比较简单。

三维组织：常见的方式是采用水凝胶等材料作为细胞外基质, 待其交联后形成三维多孔网络并将细胞固定在内部, 从而形成三维微组织。也可使用悬挂液滴法制备。三维组织更接近人体真实情况。

3．种植方式：

定点滴加法：采用移液枪等工具将细胞悬液或者和水凝胶混合物滴加到特定位置。

捕获收集法：采用重力、电场力、毛细力等外力或者采用几何结构约束等将细胞(或微组织)捕获收集到特定的区域并进行后续的培养。

4．细胞种类：

单一种类细胞培养；多种细胞共培养（常用多孔薄膜对不同种类细胞隔离）。

5．培养方式：

静态培养：芯片结构简单，但需要经常换液。

动态培养：可控性高且易于自动化培养。