类器官与微流控的碰撞：芯片类器官的研究进展与未来

摘要：类器官作为能模拟人体组织的3D体外模型，解决了传统2D培养的诸多局限，但营养供给、力学模拟的短板始终存在。微流控技术的精准流体控制能力，与类器官结合诞生了类器官-on-chip模型。本文梳理了这类模型的构建方法、核心技术、成熟模型及发展趋势，发现其能实现营养持续供给、力学信号模拟、实时监测等功能，在疾病建模、药物研发中展现出独特价值，只是目前仍面临血管化、标准化等难题，未来的个性化与多器官整合将是重要探索方向。

一、为什么要做芯片上的类器官？

做生物研究的都知道，体外模型选不对，后续实验全白费。传统2D细胞培养太简单，根本还原不了人体组织的3D细胞互作，研究复杂的发育和疾病完全不够用。动物模型虽贴近体内，但伦理问题绕不开，物种间的差异也让实验结果很难用到人身上。

类器官是个好东西，由干细胞或原代细胞自组装成3D结构，能模拟器官的结构和功能，可它也有硬伤。静态培养下营养进不去、代谢废物排不出，核心细胞容易坏死，还没法模拟体内的机械力，传代和实时监测也容易破坏结构。

微流控芯片刚好能补这些短板。芯片上的微通道能精准控制流体，模拟体内的力学环境，还能实现长期的动态培养。把类器官放进微流控芯片，就有了类器官-on-chip，既能保留类器官的组织模拟性，又能让培养环境更贴近人体，这一步升级，其实是体外模型向临床应用靠近的关键。

图1类器官与微流控芯片结合示意图

二、怎么造芯片类器官？三种接种方法各有门道

构建类器官-on-chip，第一步就是细胞接种，目前主流的有三种方法，没有绝对的好坏，全看实验需求和细胞类型。

类器官接种法是先在芯片外把干细胞或原代细胞培养成类器官，再转移到芯片里成熟和分析。体外培养能用离心、悬滴法做强制聚集，也能用基质胶做自聚集，芯片外的培养板能批量造类器官，像肝类器官研究就常用这种方法（图2a），只是前期的分化过程会耗点时间。

细胞悬液接种法是把细胞悬液直接滴进芯片的水凝胶包被通道，再施加拉伸、剪切力等机械刺激。机械力能促进细胞聚集和分化，让类器官结构更规整，胰腺癌细胞、脑类器官的构建都用了这种方法（图2b），还能减少对基质胶的依赖，适合临床少量样本的研究。

细胞悬液液滴接种法是把细胞包在微液滴里流进芯片，液滴就是一个个独立的微环境，能精准控制细胞密度。常用的基质胶、海藻酸钠、GelMA都能做液滴包被，适合高通量的药物筛选，只是液滴形成时的剪切力可能损伤细胞，材料的生物相容性也得好好挑。

图2类器官-on-chip的构建方法：a为用于药物测试的肝类器官直接接种法；b为利用微流控芯片不同形状孔道生成类器官的单细胞悬液接种法

三、微流控技术加持，芯片类器官更贴近人体

微流控是类器官-on-chip的核心技术，不同的微流控手段，能给类器官营造不同的体内微环境，让模型的生理相关性再上一个台阶。

液滴微流控能把单个细胞或类器官包在液滴里，每个液滴都是独立的培养体系，能同时测试多种药物浓度，高通量筛选的效率特别高。还能让细胞在液滴里均匀聚集，造出大小一致的类器官，肺类器官的研究就用这种技术实现了快速建模（图3a）。

灌流微流控解决了静态培养的营养难题，微通道的持续流体灌流，像人体的血管一样给类器官供营养、排废物，还能诱导血管化。脑类器官的灌流培养中，就发现了VEGF-HIF1α-AKT通路调控血管生成的规律（图3b），只是目前血管化还没法长期维持。

灌流还能和悬滴微流控结合，传统悬滴法难换液、难长期培养，整合灌流后，液滴稳定性提升，营养交换更高效，间充质干细胞的球形培养用这种方法，能更好保留细胞表型（图3c），也能实现多组织的共培养和相互作用研究。

图3类器官-on-chip的微流控技术：a为构建肺类器官的液滴微流控技术；b为促进血管化类器官形成的脑类器官灌流微流控芯片；c为比传统方法更适合长期培养的悬滴微流控技术

四、芯片类器官的硬核功能，传统模型比不了

和2D培养、单纯类器官相比，类器官-on-chip的功能实现了质的飞跃，这些功能其实都是对人体体内环境的精准模拟，也是它能替代传统模型的关键。

持续营养供给是最基础的功能，芯片的灌流系统让营养均匀到达类器官各个部位，不会出现核心缺氧坏死的情况，动脉粥样硬化的模型研究中，灌流还能通过流体剪切力助力模型构建，这是静态培养完全做不到的。

能精准模拟力学信号是一大亮点，体内的细胞时刻受拉伸、压力、剪切力的影响，芯片能通过泵和微通道调控这些力学信号，还能模拟肺的呼吸、肠道的蠕动，能研究力学信号如何调控细胞行为和疾病发展，这对机制研究特别重要。

芯片上还能整合传感器，氧传感器、葡萄糖传感器、电极阵列都能嵌进去，实时监测类器官的培养状态和生化指标，不用再破坏类器官取样，悬滴芯片中整合的多分析物生物传感器，还能同时监测乳酸和葡萄糖，数据更精准。

诱导血管化让类器官更接近真实器官，持续的流体灌流能上调血管相关标志物，让内皮细胞向类器官迁移形成血管网络，肾类器官的芯片培养中，血管化明显提升，类器官的生长和存活时间也大幅增加，只是血管化的标准化方法还没统一。

高通量分析适配了药物研发的需求，芯片上能设计多个独立孔道，一次实验就能完成多个变量的检测，不用反复铺板，节省时间和样本，血管内皮细胞炎症研究的芯片就设计了20个实验孔，能同时开展不同的拉伸实验。

不同研究模型的功能差异，其实能直观看到类器官-on-chip的优势，血管生成、微环境控制、力学模拟这些能力，是其他模型难以同时具备的（表1）。

表1不同研究模型的功能对比

不同研究模型

动物模型

传统2D培养

类器官

微流控2D培养

类器官-on-chip

血管结构生成

微环境精准控制

部分

营养持续供给

无伦理考量

动态复杂细胞互作

力学信号模拟

传感器实时数据整合

高通量筛选

模型复杂性

五、已经成熟的芯片类器官模型，覆盖多个关键器官

目前类器官-on-chip已经发展出多个成熟的器官模型，每个模型都能针对性解决该器官研究的痛点，在疾病建模和药物测试中已经有了实际应用。

脑类器官-on-chip能模拟神经发育和神经疾病，把脑类器官放进灌流芯片，能研究产前尼古丁暴露对胎儿脑发育的影响，还能缓解脑类器官的糖酵解应激，自动化的芯片系统还能自定义灌流速度，让培养更贴合实验需求（图4a）。

肾类器官-on-chip是肾病研究的利器，多囊肾病的模型中，芯片的流体环境能诱导囊肿形成，还能验证降糖药物对囊肿的抑制作用；近端小管的芯片模型还能提升药物转运体的表达，让药物摄取的研究更贴近人体（图4b）。

肠道类器官-on-chip能模拟肠道的蠕动和屏障功能，芯片的压力通道能模拟肠道蠕动，提升肿瘤类器官的干细胞标志物表达；患者来源的肠道类器官芯片，还能还原十二指肠的绒毛结构，为肠病的个性化研究提供了可能（图4c）。

肺类器官-on-chip能模拟肺的呼吸和损伤，3D打印的芯片能实现肺类器官的血管化，还能用于肺癌的药物敏感性测试，只是目前多数模型还没法同时模拟呼吸拉伸和灌流，这部分还有待改进（图4d）。

肝、眼等器官也有了对应的芯片模型，肝类器官-on-chip能精准检测药物诱导的肝损伤，适配药物毒性筛选；视网膜类器官-on-chip能通过氧梯度维持视网膜神经节细胞的存活，为眼底病研究提供了新模型。

图4类器官-on-chip的成熟模型：a为构建大脑皮层类器官的自动化微流控装置；b为构建血管化肾类器官的芯片；c为构建患者来源肠道类器官的实验设计；d为构建肺类器官的微流控芯片及CAD渲染图

除了单器官模型，多器官类器官-on-chip也开始发展，把胰腺和肝类器官放在同一芯片，能研究糖代谢的器官互作；肺、肝、心的三器官芯片，能检测药物对多个器官的联合作用，比如博来霉素会让三器官模型中的心脏停止跳动，而单心脏模型则无此反应（图5），这让药物的全身毒性评估更准确。

图5多器官类器官芯片：a为模拟2型糖尿病的肝-胰腺双器官芯片；b为用于药物测试的肺-肝-心三器官芯片

六、当下的研究趋势，解决痛点才是关键

类器官-on-chip的研究还在快速发展，目前的探索主要集中在两个方向，一是优化培养体系，二是提升数据分析能力，其实都是在解决当下研究的实际痛点。

培养体系的核心是替代基质胶，传统的Matrigel是动物源材料，批次差异大、有免疫原性，现在的研究更倾向于组织特异性脱细胞基质、合成水凝胶，还有的直接用微流控的力学信号替代基质胶，比如聚乙二醇包被的芯片，靠流体灌流就能让卵巢癌类器官更好生长。

数据分析是另一个重点，芯片类器官的高通量实验会产生大量图像和数据，手动分析效率低还不准确。现在常用ImageJ、OrganoSeg做形态分析，Ilastik、VONet等AI工具也开始普及，能实现自动化的分割和3D重建，只是部分AI工具对计算资源要求高，小实验室很难普及。

七、未来在哪？还有这些坎要跨

类器官-on-chip的潜力很大，但要从实验室走到临床，还有不少坎要跨，这也是未来研究的核心方向。

血管化的标准化是首要问题，目前的血管化只能短期维持，不同器官的血管化方法也不统一，后续需要找到通用的诱导方法，让类器官形成能长期功能的血管网络，这样才能支撑更大、更成熟的类器官培养。

多器官芯片的优化也很关键，现在的多器官芯片还只是简单的器官拼接，没法模拟体内的器官间信号传导，还需要开发通用的培养基，适配不同器官的生长需求，让多器官的互作更贴近人体。

个性化与商业化是最终的应用方向，患者来源的类器官芯片能实现个性化的药物测试，只是目前类器官的培养周期长、成本高，需要优化培养protocol，缩短成熟时间，才能实现商业化的高通量应用。

还有药代药动的模拟，体外模型和体内的药物反应差异，主要来自于药物的分布和代谢，后续需要在芯片中整合更多的生理系统，让药物的吸收、分布、代谢、排泄能被精准模拟，这样实验结果才能更好地转化到临床。

其实说到底，类器官-on-chip的研究，本质上就是不断让体外模型贴近人体的过程。微流控和类器官的结合，已经迈出了关键一步，后续只要解决了标准化、血管化、多器官整合这些问题，相信它会在个性化医疗、药物研发中发挥更大的作用，让生物研究离临床应用更近一步。

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