從跳動的心臟到會呼吸的肺，器官芯片已經(jīng)成為人類生物學(xué)研究中最熱門的新興工具之一。盡管與人體部位相比，這些器件可能更接近計(jì)算機(jī)組件，科學(xué)家們已經(jīng)為所有器官創(chuàng)建了工作模型，包括肝臟、肺，甚至是女性生殖系統(tǒng)。

研究人員希望使用這些器件來模擬疾病并促進(jìn)藥物開發(fā)。哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所主任Donald Ingber向《科學(xué)家》雜志表示，“我認(rèn)為對大多數(shù)人來說，共同目標(biāo)是以更有效的方式取代動物實(shí)驗(yàn)并展開個性化醫(yī)療。

1.小型肺

一款具有充滿氣體（黃色）和中等填充血樣（藍(lán)色）通道的肺泡芯片，內(nèi)部均排列了人體細(xì)胞，以模仿器官功能

Wyss研究所的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出15種不同的人體器官芯片。研究所開發(fā)的第一款器官芯片是肺器官芯片，是一款透明、U盤大小擁有兩條通道的器件，空氣填充的上層通道排列有肺泡上皮細(xì)胞，下層通道排列有血管細(xì)胞，含有白細(xì)胞的溶液會從通道中流過。

為了更接近地模擬人類生物學(xué)，研究人員利用真空使主通道內(nèi)的中空管變形，借此來模擬呼吸運(yùn)動。

“研究團(tuán)隊(duì)在芯片上的創(chuàng)新基于我的研究，結(jié)果顯示，對于組織開發(fā)、維護(hù)和功能而言，機(jī)械外力和化學(xué)、基因?qū)W一樣重要，”Ingber指出，“這款肺泡芯片能夠?yàn)槟M正常器官的生理水平和疾病，發(fā)掘物理力的重要性，尋找新的治療靶點(diǎn)，更甚至研發(fā)出新型藥物，提供原理論證?！?/span>

Ingber及其同事也將機(jī)械外力引入了其它器官芯片，例如模擬腸蠕動運(yùn)動的腸道芯片，以及模擬血管脈沖的腎臟芯片。

呼吸道芯片上的人體支氣管上皮圖像特寫，粘液轉(zhuǎn)運(yùn)纖毛（粉紅色）從上皮細(xì)胞（藍(lán)綠色）伸出到充滿空氣的管腔

研究團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)明之一是氣道芯片，除了被取代的肺泡細(xì)胞，該器件類似于最初的肺芯片，芯片上排列著人體支氣管上皮細(xì)胞。研究團(tuán)隊(duì)利用這些芯片模擬慢性阻塞性肺氣腫疾病及哮喘。他們也使用這些器件研究吸煙對支氣管上皮細(xì)胞的影響，這些器件會被連到一臺能夠點(diǎn)燃香煙并呼出煙霧，類似人類吸煙行為的機(jī)器。

2.創(chuàng)建血腦屏障

神經(jīng)血管單元（Illustration of the NeuroVascular Unit, NVU）芯片圖例，這是一款人類血腦屏障模型。多孔膜分離了大腦建模腔室和代表周圍血管系統(tǒng)的腔室

來自范德堡大學(xué)（Vanderbilt University）的生物醫(yī)學(xué)工程師John Wikswo及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)造出一款能夠研究大腦和血腦屏障的芯片。

Wikswo writes在采訪郵件中告訴《科學(xué)家》雜志，“我們之所以選擇研究人體神經(jīng)血管單元，是因?yàn)槠べ|(zhì)神經(jīng)元和保護(hù)它們的血腦屏障（blood-brain barrier, BBB）之間的相互作用極其重要，因此把它稱為神經(jīng)血管單元?！?/span>

人體神經(jīng)血管單元芯片由一個微型腔體構(gòu)成，該微型腔體通過一個多孔膜分隔出一個代表大腦的腔室以及一個代表周圍血管系統(tǒng)的腔室。芯片上含有來自人體的皮層神經(jīng)元、微血管內(nèi)皮細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和血管周圍細(xì)胞。根據(jù)Wikswo的說法，這種組織結(jié)構(gòu)“使我們能夠研究神經(jīng)元和其它細(xì)胞對通過血腦屏障傳遞出來的藥物和炎癥信號的代謝反應(yīng)”。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將神經(jīng)血管單元芯片納入一系列應(yīng)用，例如調(diào)查疾病狀態(tài)并研究炎癥對疾病的影響。目前，該團(tuán)隊(duì)也正在啟動一個新項(xiàng)目，利用這項(xiàng)技術(shù)幫助制藥行業(yè)進(jìn)行藥物測試。

3.跳動的心臟

芯片上實(shí)驗(yàn)小白鼠心臟組織的顯微圖像，心肌細(xì)胞（紅色）、細(xì)胞核（藍(lán)色）和肌動蛋白（綠色）

Megan McCain是南加州大學(xué)（University of Southern California）生物醫(yī)學(xué)工程的一名教授，致力于心臟芯片的研究，橡皮擦尺寸大小的器件內(nèi)可以容納活的、跳動的心臟細(xì)胞。創(chuàng)建該器件的第一步是從患者身上提取皮膚細(xì)胞并將其重新編程成干細(xì)胞，之后將其培養(yǎng)成心肌細(xì)胞。第二步是將這些細(xì)胞放在通過生物工程制成的芯片表面上，從而創(chuàng)建心臟的自然環(huán)境。McCain指出，“我們感興趣的關(guān)鍵指標(biāo)是力的生成?！?/span>

2014年，當(dāng)時還供職于Wyss研究所的McCain使用心臟芯片模擬了巴氏癥候群（Barth syndrome），這是一種罕見的，與心肌減弱有關(guān)的遺傳性疾病。目前，她的團(tuán)隊(duì)正致力于使用心臟芯片研究其它疾病。McCain告訴《科學(xué)家》雜志，“建立疾病模型是我認(rèn)為心臟芯片所能發(fā)揮的最大作用，尤其是遺傳性疾病。即使我們給出基因剔除鼠模型，我們也無法捕獲人體疾病的方方面面?！?/span>

5.仿真眼

擁有微流控通道（黃色）的眼睛芯片，能夠?qū)I養(yǎng)物質(zhì)帶給位于圓形支架中心的細(xì)胞。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一個微工程眼瞼，能夠在芯片上模擬眨眼

曾經(jīng)在Ingber實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)的博士后，來自賓西法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）的生物工程教授Dan Huh和他的同事創(chuàng)建了這款眼睛芯片，以及能夠眨眼的眼瞼。

該芯片的尺寸和形狀與隱形眼鏡大致相同，接近眼表大小。芯片上包含來自角膜和結(jié)膜（覆蓋眼睛的粘膜層）的人體細(xì)胞。研究團(tuán)隊(duì)也設(shè)計(jì)了眼瞼，附在芯片表面模擬眨眼的效果，幫助保持芯片表面的潤滑。

Huh說道，“我們發(fā)現(xiàn)眨眼運(yùn)動對眼球表面組織的維持至關(guān)重要，我們正在利用該平臺模擬某些慢性眼睛疾病，如干眼癥?！备鶕?jù)Huh的說法，他的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用眼睛芯片來模擬其它眼睛狀況，用于藥物測試和開發(fā)，以及進(jìn)一步測試和優(yōu)化隱形眼鏡。該團(tuán)隊(duì)目前也正在開發(fā)視網(wǎng)膜芯片。

“眼睛是我們實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。”Huh強(qiáng)調(diào)道，他和他的團(tuán)隊(duì)也研究其它各類器官芯片，包括肺和胎盤。

5.模擬月經(jīng)

EVATAR是一款口袋大小的女性生殖系統(tǒng)模型，血樣流體（藍(lán)色）將流經(jīng)含有微型器官的孔

許多研究團(tuán)隊(duì)都想要將不同的器官芯片整合，以重新創(chuàng)建器官系統(tǒng)，甚至是整個人體模型。西北大學(xué)（Northwestern University）婦產(chǎn)科教授Teresa Woodruff及其同事在一塊手掌大小的芯片上整合了五種微型器官，成功建立了女性生殖道模型。

這款被稱為EVATAR的芯片由一系列管道和微泵構(gòu)成，流經(jīng)細(xì)胞的藍(lán)色的血樣流體內(nèi)包含5種迷你器官：輸卵管、子宮、陰道、卵巢和肝臟。Woodruff表示，“該系統(tǒng)幫助我們實(shí)現(xiàn)以攜帶新鮮營養(yǎng)、移除廢物的方式運(yùn)送介質(zhì)，這種運(yùn)行方式與人體無異?！蓖ㄟ^向循環(huán)液中增加激素的方式，該團(tuán)隊(duì)得以模擬28天的月經(jīng)周期。

該研究團(tuán)隊(duì)希望利用EVATAR來闡明生殖生理及其相關(guān)疾病，以及相關(guān)的藥物測試和研發(fā)。他們也在研究一款男性版本的芯片，并將其命名為ADATAR。

6.互聯(lián)

研究人員將多器官平臺連接到相關(guān)軟件，每個孔都連接有一個微型生理系統(tǒng)，如肺、腸道，或中樞神經(jīng)系統(tǒng)，流體流經(jīng)通道以模擬生理心臟輸出

來自麻省理工學(xué)院（MIT）的生物工程教授Linda Griffith及其同事是由美國政府國防高級研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency, DAPRA）資助項(xiàng)目的兩組團(tuán)隊(duì)之一，他們創(chuàng)建了“身體芯片”，將10種不同的迷你器官系統(tǒng)與集成電路連接。另一組團(tuán)隊(duì)來自Wyss研究所。

根據(jù)Griffith的發(fā)言，他的團(tuán)隊(duì)最近“完成了DARPA的一個重要里程碑，在一個月內(nèi)將10款器官微生理系統(tǒng)連接在了一起?！?/span>

連接多種器官芯片，能夠幫助研究人員了解器官之間的相互作用。在他們最新的一次試驗(yàn)中，Griffith及其團(tuán)隊(duì)研究了炎癥在相互連接的人體腸芯片和肝臟芯片中的作用。這項(xiàng)研究顯示了除其它影響因素外，兩個器官之間的串?dāng)_是如何影響基因表達(dá)和組織特異性功能的。

Griffith說道，“我認(rèn)為目前該領(lǐng)域正處于思考器官內(nèi)和器件間多種細(xì)胞類型相互作用的復(fù)雜生理學(xué)的早期階段，尤其是當(dāng)涉及到組織細(xì)胞與免疫系統(tǒng)相互作用的情況。我們的項(xiàng)目很大部分的關(guān)注重點(diǎn)在免疫學(xué)領(lǐng)域?！?/span>

人體芯片的藝術(shù)表現(xiàn)接近于體外生物學(xué)，生物工程設(shè)備培養(yǎng)了許多能夠代表每個器官最小功能單元的3D組織培養(yǎng)

7.太空中的大腦芯片

Emulate的器官芯片，如大腦芯片，包含排列成千上萬活的人體細(xì)胞和組織的微小中空通道，每個都有大約AA電池（5號電池）大小

為了將Wyss研究所開發(fā)的器官芯片技術(shù)商業(yè)化，初創(chuàng)公司Emulate誕生了，公司產(chǎn)品包括肺心片、肝芯片和腸芯片。雖然上述芯片具有不同的細(xì)胞類型和功能，但標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使它們的外觀看起來很相似。該公司最近宣布了將其大腦芯片發(fā)送到國際空間站（International Space Station）的計(jì)劃，用于研究除其它因素外，血腦屏障、壓力和炎癥將如何影響腦功能。

該公司的腦芯片包含神經(jīng)元和血管內(nèi)皮細(xì)胞，可用于模擬生理和血腦屏障。Emulate公司的總經(jīng)理兼首席科學(xué)官Geraldine Hamilton解釋道，“我們不僅僅是重建整個大腦模型，也包括器官的最小功能單元。在上述情境中，我們采取由微血管內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和周細(xì)胞構(gòu)成的血腦屏障，這些細(xì)胞以特定方式進(jìn)行相互作用，也需要以特定方式進(jìn)行組織，這就是我們在大腦芯片——如此小的尺寸上需要重新創(chuàng)建的東西。”（文章來源：麥姆斯咨詢轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）