丨导 读

和义广业【行业分析】之器官芯片系列，本篇主要详细解读器官芯片的实际应用，涉及肺器官芯片、血脑屏障芯片、肿瘤芯片、肝芯片、肾芯片及多器官芯片的应用场景。

器官芯片实际应用

（一）肺器官芯片

肺芯片系统包括一个肺泡屏障和模拟呼吸的循环拉伸结构，以模拟呼吸过程肺泡运动。

该芯片模型分为上下两层，中间被生物膜所分开，上层为肺细胞，流通的是空气，而在下层为肺毛细血管细胞，流通培养液。两边为真空侧室，抽真空时侧室收缩，拉伸中央薄膜及其上组织，模仿肺细胞呼吸时的状态，实现传统培养皿不可能实现的呼吸功能，是肺部器官体外生理功能的极佳模型。

该模型研究了周期性应力对气血屏障渗透性的影像。进一步引入白细胞介素-2，成功建立了肺水肿病理学模型。GSK公司基于此模型验证TRPV4抑制剂在抑制肺水肿上有较好的疗效。

图 1

（二）血脑屏障芯片

血脑屏障（BBB）是人脑中介于血液和脑组织之间的一道重要的生理性屏障，是一种高度选择性的屏障，使大多数药物分子难以进入脑组织，一定程度上限制了针对中枢神经系统疾病（帕金森、阿尔兹海默证）药物的研究与开发。

血脑屏障芯片在多孔薄膜两侧分别培养血管（内皮细胞）和脑组织细胞（周细胞，星形细胞，神经元），并仿真控制血液流体等要素，来模拟血脑屏障。通过在血管通道中加入待测物质，检测另一侧浓度或其他变化。开展细胞与细胞之间的物质交换和信号传递、药物传递、药物对细胞的影响等研究。

图 2

（三）其他器官芯片

1．肿瘤芯片

传统的肿瘤模型多为单一肿瘤2D细胞系, 不足以模拟体内肿瘤的真实情况。即便3D培养的细胞组织，仍然缺乏组织-组织界面、器官水平结构、流体流动和机械信号。

器官芯片可重建肿瘤微环境，观察肿瘤细胞的增殖和迁移行为，以及与周围组织的相互作用。应用于药物研发，可显著提高了对肿瘤患者抗癌药物临床疗效预测的准确性和效率。因而成为最受药物研发机构所关注的器官芯片模型。

2．肝芯片

肝脏是人体重要的毒素、药物代谢器官，由具有复杂多细胞组织和管道结构的肝小叶构成。目前，肝芯片研究主要集中于建立多种细胞组成的功能化肝组织生理学模型，如胆小管、肝小叶和肝血窦等，更好地实现肝组织功能化并集成高通量分析。

目前，FDA已开始对肝脏芯片进行测试评估，以便未来审批某些被证明有毒的化合物时（如食品添加剂），可以利用芯片来代替动物毒理学实验。

3．肾芯片

肾脏是人体重要的排泄器官，对维持体内渗透压与自稳态有重要的作用，也是药物代谢的主要器官。肾单位是肾脏的结构单位，由肾小球、肾小囊和肾小管共同构成，也是肾脏发挥滤过与重吸收功能的基础。肾芯片研究主要集中在肾单位结构和功能的模拟，以及在此基础上的肾病病理微环境模拟、疾病机制研究、药物作用及代谢研究。

（四）多器官芯片

人体内的生理功能是多个器官的相互作用的结果, 器官芯片的另一发展方向是在同一张芯片上集成多个器官模型，并彼此沟通, 即多器官芯片或称人体芯片(human-on-a-chip)。

多器官芯片在芯片上不同区域构建不同组织器官，并通过芯片管道（模拟人体血管）相连接，模拟人体对特定物质的吸收、代谢、转化和排泄过程。能够更真实反映人体药物反应，并最终勘察出药物对不同器官或整个系统的药理和毒性作用。

多器官芯片模型近几年来受到科研人员的重点关注，目前已经实现了肠-肾芯片、肝-肠芯片、心-肝芯片和神经-肌肉芯片等多器官芯片的构建。如，下图为肠、肝、皮肤、肾4个器官的多器官芯片模型，用于体外评估候选药物的安全性和有效性。

图 3

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作者：赵硕 施文涵