小小器官芯片，大有可为

Cédric Bouzigue

巴黎综合理工学院生物学专业讲师

器官芯片由塑料或玻璃构成，表面上刻了无数的“小通道”和“小房间”，能在微观尺度上再现人体器官和组织的功能、物理化学环境、生物过程等。

在芯片的通道和腔室中培育人类细胞，既能具备真实器官的功能，又便于开展活体内无法实现的观察测量。

器官芯片融合了微流控、生物工程、生物细胞等多学科，走在创新的前沿。

器官芯片研发成果将有广泛应用：个性化护理、分析复杂生物过程、观察细胞发出的生物信号等。

在微流控技术、细胞生物学、生物工程的最新研究成果加持下，科学家们已成功研发出了“器官芯片”，将复杂的人体器官机能在多米诺骨牌大小的芯片中再现。

器官芯片由塑料或玻璃构成，表面上刻了无数的“小通道”和“小房间”，各类细胞在其中生长、相互作用，在微观尺度上再现人体器官和组织的功能、物理化学环境和生理过程。芯片的特殊架构，使其能模拟器官内的血压、细胞相互作用，以及物质交换组织（肺、肠、肾组织等）中液体循环速度等因素。

输入了人类细胞的器官芯片可以充当“实验田”，测试机械应力、药物等因素对大型器官的直接影响。

01

事半功倍的“微型管道工程”

巴黎综合理工大学生物学讲师、光学和生物科学实验室研究员Cédric Bouzigue正在开发用于治疗严重肾脏疾病的器官芯片。他笑称：“我的工作就是进行微米级别的管道工程。”他设计的微流体系统“拥有与真实器官相似的三维几何结构，其中的生物信号和物质循环可以人为控制。”当前他正在开发芯片上的肾脏模型，在体外再现肾脏过滤血液，形成尿液的过程。

Bouzigue认为，器官芯片在理论上属于“理想设备”，因为它既具备真实器官的功能，又便于开展活体内无法实现的观察测量。同一份器官芯片上可以同时进行多项定量分析实验，同时检测多个细胞发出的信号物质、多种活性物质的药效，更方便地调整实验条件，可谓是“事半功倍”。事实上，“事半功倍”也是Bouzigue的著作《惊人的化学（Étonnante chimie）》（CNRS出版社，2021年）当中的一个章节名。

02

辅助新药临床试验

器官芯片仍是一项发展中的技术，尚不能代替生物实验室里常规使用的动物模型和微生物培养。Bouzigues 指出：“器官芯片的复杂程度仍然较低，不足以在实验中完全代替动物模型。”

可即使是测试新药的功效和毒性的临床前动物实验，也无法全方面模拟人类身体组织的功能。美国食品和药物管理局在最近的一份报告中指出，通过动物试验的药物有十分之九会在人体临床试验阶段失败。目前还没有更安全的新药测试流程，但器官芯片可以加速和促进新疗法从实验室到临床的转化。Bouzigues 说：“可以先在芯片上验证某些假设，然后再在活体模型上进行实验。”

03

罕见肾脏炎症研究

图片来源：PI France

注：左上，肾小球示意图，粉色部分为毛细血管，褐色部分为尿液生成处，红色和蓝色为过滤膜的组成细胞（红色：肾小球内皮细胞，蓝色：足细胞）。右上，器官芯片上单个微系统示意图，含有两个腔室，由膜（灰色）分隔；三种细胞共同在芯片上形成“肾小球”。左下，器官芯片微系统实物图（图源：M. Mauviel LOB）。右下，三种类型的细胞（从下到上：壁细胞、足细胞、血管肾小球内皮细胞）的共聚焦荧光显微成像，标记有特定的分化蛋白（绿色、红色和蓝色）。

为此，研究人员设计了一种芯片上的肾小球系统，再现病理发生发展的关键机制。“芯片系统的每个基本单元由两个腔室组成——尿液腔室和血管腔室——由肾小球壁细胞构成的膜隔开。”通过光学成像设备，研究人员可以在分子和细胞水平上观察芯片中发生的变化，特别是当注入致病的活性分子时。

04

个性化医疗

器官芯片蕴含着诸多可能性。有朝一日，也许能利用器官芯片精准分析每个患者的病理和基因特征，从而为其量身定制医疗设备，还能为每个患者单独测试药物反应，从而提供真正个性化的治疗。

世界各地都在开展器官芯片研究，包括血管芯片（用于研究高血压）、肠芯片、肾芯片、肺芯片等。芯片一般用高聚物制成，例如聚二甲基硅氧烷。在这种材料上刻通道，可以达到很高的精度，生物相容性也良好，但耐久性欠佳，所以暂时不适合研究发展缓慢的疾病。

器官芯片的发展仍在起步阶段，面临多重挑战，但这一技术正逐渐被基础研究和临床试验机构接纳，有望显著加深学界对复杂生物过程的理解。

作者

Samuel Belaud

编辑

Meister Xia