器官芯片(Organ-on-a-chip，OOC)是一种在微流控细胞培养芯片内模拟人工器官的新兴技术。目前的细胞生物学研究主要集中在体外细胞培养，由于体内实验的种种限制。体外细胞培养不能提供准确的微环境，而体内细胞培养是昂贵的。OOC的目标是克服这些缺点，提供最好的体内和体外细胞培养研究。OOC设计的关键部分是利用微流体来确保稳定的浓度梯度、动态机械应力建模和细胞微环境的精确重建。OOC还具有完全观察和控制系统的优点，这是不可能在体内研究中重现的。在聚二甲基硅氧烷(PDMS)阵列中构建了多个吞吐量，通道，膜和腔室，以模拟芯片上的各种器官。利用OOC技术可以进行各种实验，包括药物传递研究和毒理学。目前的技术扩展涉及单个芯片上的多个器官微环境，允许研究组织间的相互作用。

器官芯片技术的发展

器官芯片技术的概念最早出现在20世纪90年代末，随着微流控技术和生物工程技术的进步，器官芯片的研究逐渐从理论探索走向实际应用。早期的器官芯片主要用于模拟简单的细胞环境，而随着技术的不断发展，当前的器官芯片已能够模拟复杂的人体器官功能。

早期发展阶段

在早期阶段，器官芯片主要以二维细胞培养为基础，利用微流控技术实现对细胞的控制。尽管这些早期芯片在模拟细胞微环境方面具有一定优势，但其功能和应用范围仍然有限。

技术突破

随着三维细胞培养技术的发展，器官芯片技术取得了重要突破。三维培养能够更好地模拟器官的立体结构和功能，提高了器官芯片的生理相关性。此外，组织工程和生物材料科学的发展也为器官芯片的进步提供了支持。

多器官芯片的兴起

近年来，多器官芯片（multi-organ-on-a-chip）的概念逐渐被提出并实践。这类芯片通过将多个不同的器官模型集成在同一芯片上，实现了对人体多器官系统相互作用的模拟，为药物筛选和疾病研究提供了新的工具。

01、肾脏芯片

肾脏以尿液的形式排出血液中的废物和多余的水分，并帮助保持体内钠、钾和钙的化学平衡。它们还会产生有助于控制血压的激素，并刺激骨髓产生红细胞。有研究者首次使用小鼠肾细胞创建了模拟肾脏过滤的多层微流体系统。同样的装置后来被用于培养人类肾细胞;这是对原代肾上皮细胞的首批毒性研究之一。有研究者制造了一种模拟毛细血管壁结构和功能的肾芯片，如图1所示。通过两侧的真空室可以产生对电池层的机械压力。许多其他的研究围绕着疾病建模、药物筛选和毒理学评估。

图1.肾脏芯片。

02、肺芯片

人体肺部的气体交换是由肺泡调节的，肺泡是在呼吸过程中允许血液交换氧气和二氧化碳的小囊。这一过程在体外复制一直具有挑战性。然而，OOC技术使研究人员能够创建精确的肺微环境，以维持一致的气体交换。目前的研究主要集中在调节机械气道压力和血脑屏障。有研究者构建了一个分区域的肺微环境，如图2所示。上部为肺泡细胞，下部为肺细胞；这模拟了肺泡-毛细血管屏障。该系统在真空中运行，模拟呼吸过程中肺泡的扩张和收缩。炎症刺激也通过流体通道以中性粒细胞的形式引入系统。

图2.肺芯片。

03、心脏芯片

微流体技术使心脏组织的新研究成为可能。心肌是心脏的肌肉组织;心肌的解剖单位是心肌细胞(cm)。有研究者设计了一个平台，模拟心脏的生理和机械微环境，如图3所示。下部隔室受压使分离膜变形并压缩三维结构，模拟心脏跳动。

图3.心脏芯片。

04、多器官芯片

人体是复杂的，单个器官芯片不能完全准确地反映人体器官，而不能识别该器官与体内其他器官和系统的相互作用。“多器官芯片”(multi-organ-on-a-chip)又称“人体芯片”(human-on-a-chip)，是一项正在进行的研究项目，可以在单个芯片上同时构建多个器官，如图4所示。从理论上讲，通过仿生血液通道连接不同的器官和组织可以实现多器官整合交互。

在药品安全方面，有各种各样的挑战需要克服。二维培养和动物研究并不能真正代表人体。肝脏代谢给药，产生的化合物可能对有些器官(如心脏)造成不可预测的毒性。几种肝脏和心脏模型已被广泛用于评估新药或召回药物的毒性。多器官芯片平台提供了一种创新的方法来研究药物相关效应，从而预测非靶器官的肝脏代谢，最终提高临床前开发阶段的药物安全性测试。

图4.人体芯片。

器官芯片的原理

微流控技术

微流控技术是器官芯片的核心，通过微米级通道实现对液体流动的精确控制。该技术可以模拟血液在器官中的流动，提供稳定的营养供应和代谢废物排除。

三维细胞培养

器官芯片通常采用三维细胞培养技术，以模拟器官的真实结构和功能。三维培养能够提供更接近生理条件的细胞生长环境，提高实验结果的生理相关性。

生物材料

器官芯片的基质材料通常选用具有生物相容性的材料，如水凝胶、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。这些材料能够支持细胞的粘附、生长和分化。

传感器技术

器官芯片上通常集成了各种传感器，用于实时监测细胞的生理状态和芯片内的微环境参数。这些传感器能够提供有关细胞生长、代谢和响应的实时数据。

器官芯片的应用

药物筛选

器官芯片可以模拟人体器官的微环境，用于新药的筛选和药效评估。相比传统的体外细胞培养和动物实验，器官芯片能够提供更接近人体的药物反应数据，提高药物筛选的效率和准确性。

疾病模型

器官芯片可以用来建立各种疾病模型，如癌症、心血管疾病、神经系统疾病等。通过模拟疾病的发病机制，器官芯片为疾病的研究和新疗法的开发提供了新的平台。

个性化医学

通过使用患者来源的细胞，器官芯片可以用于个性化医学研究。医生可以根据患者的具体情况，利用器官芯片测试不同的治疗方案，从而制定最适合的个性化治疗策略。

毒性测试

器官芯片技术可以用于评估化学物质、药物和食品添加剂等的毒性。相比传统的毒性测试方法，器官芯片能够提供更精确和可靠的毒性数据。

再生医学

器官芯片技术在再生医学中也具有重要应用。通过模拟器官的发育和再生过程，器官芯片可以用于研究组织工程和再生医学中的关键问题，如干细胞分化、组织修复等。

器官芯片技术的未来前景

标准化和规范化

为了推动器官芯片技术的广泛应用，需要建立统一的标准和规范。这将有助于不同研究团队之间的数据对比和技术交流，促进器官芯片技术的发展。

芯片材料的改进

开发更具生物相容性和功能性的材料，以提高器官芯片的性能和稳定性。这些新材料将有助于实现更长时间的细胞培养和更复杂的器官模型。

多器官系统集成

实现多个器官系统在同一芯片上的集成，以更好地模拟人体多器官的相互作用。这将为系统性药物筛选和复杂疾病研究提供新的工具。

人工智能与大数据

结合人工智能和大数据技术，对器官芯片产生的大量数据进行分析和挖掘。这将有助于发现新的生物学规律和药物靶点，提高研究效率。

总结

器官芯片技术作为一种新兴的生物医学工程技术，具有广泛的应用前景。通过模拟人体器官的微环境，器官芯片为药物筛选、疾病研究、个性化医学等提供了新的工具。尽管面临一些挑战，随着技术的不断发展和完善，器官芯片有望在未来的生物医学研究中发挥更加重要的作用。

参考文献：

Negar Farhang Doost,S. D. Srivastava. A Comprehensive Review of Organ-on-a-Chip Technology and Its Applications in Disease Diagnostics. null. 2024;0 (0):0-0. doi:10.20944/preprints202403.0965.v1