現(xiàn)今，巨大的投入成本、冗長的測試時(shí)間和極低的成功率一直是新藥開發(fā)中的瓶頸問題。盡管經(jīng)過了動(dòng)物模型的藥物初篩，仍有大量化合物實(shí)體因?qū)θ梭w具有毒性或療效甚微而退出研發(fā)，這其中還并不排除有些真正高效的化合物實(shí)體并未在動(dòng)物模型上被檢出。造成這種情況的主要原因是種間差異，以及動(dòng)物模型的整體復(fù)雜性對毒理反應(yīng)的稀釋。

　　近年來，隨著微流控技術(shù)的發(fā)展，各式新型的微器官組織芯片不斷涌現(xiàn)。通過微流控或組織工程技術(shù)，將同種組織的不同細(xì)胞按照一定的排列和組織形式集成在有限的培養(yǎng)空間上，形成具有一定組織結(jié)構(gòu)和生理功能的活細(xì)胞結(jié)構(gòu)單元，就是微器官組織芯片。不同類型的微器官組織芯片相連通，可以用于模擬不同器官或組織之間的病理毒理反應(yīng)，從而體現(xiàn)多組織器官對藥物的協(xié)同反應(yīng)。利用這些微器官組織芯片可以：①研究不同藥物對同種組織處理產(chǎn)生的不同反應(yīng)；②研究同種組織在生理病理?xiàng)l件下的功能差異；③研究不同組織在同種藥物下的聯(lián)合反應(yīng)等等。文章總結(jié)了近年來微器官組織芯片領(lǐng)域的重大發(fā)展；比較了同種類微器官組織芯片中，不同制備方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)工作提供理論基礎(chǔ)。

　　總述

　　在2004年，Andersson等就首次介紹了搭建用于構(gòu)建細(xì)胞模塊、控制細(xì)胞、組織形態(tài)和作為生物反應(yīng)器的微流控設(shè)備，稱為“微器官組織芯片”。經(jīng)過10余年的發(fā)展，已開發(fā)出針對多種不同組織、器官的微器官組織芯片，用于模擬相應(yīng)的器官的不同生理活動(dòng)。

　　不同的微器官芯片往往由不同的微尺度制備工藝集成，最常使用的方法有硬光刻、軟光刻和3D打印。其中，硬光刻和軟光刻精度高，但操作工藝復(fù)雜、對材料和技術(shù)要求高；3D打印操作相對容易卻難以達(dá)到微米級(jí)的精確度。在制作微器官組織芯片的過程中，這些技術(shù)往往聯(lián)合應(yīng)用，以體現(xiàn)各自的優(yōu)勢。2017年Beauchamp等制作出了有史以來最小的3D打印微流控裝置。這種微型芯片能在小于100 μm的尺寸下起作用，為3D打印微流控裝置的大規(guī)模生產(chǎn)提供了條件。

　　微器官組織芯片涉及4個(gè)關(guān)鍵元件，分別為微流控組件、活細(xì)胞組織組件、用于刺激或藥物投放的組件和用于讀出結(jié)果的傳感組件。微流控組件是指利用微流控將目的細(xì)胞送達(dá)指定位置的組件，也包括在培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液的輸入，以及廢液的排出系統(tǒng)。通常，該組件具有小型化、集成化和自動(dòng)化的特點(diǎn)?；罴?xì)胞組織組件是指將特定細(xì)胞類型在2D或3D情況下進(jìn)行空間上的規(guī)范排布的組件，通常通過添加生物相容性材料（例如水凝膠）來防止機(jī)械損傷和塑造三維排布。雖然與2D情況相比，3D的組織結(jié)構(gòu)可以更好地模擬體內(nèi)情況，但是由于技術(shù)和成本以及細(xì)胞外基質(zhì)的組裝以及脈管的預(yù)設(shè)和形成的限制，器官組織芯片中活細(xì)胞組件仍以2D培養(yǎng)居多。第三是用于刺激或藥物投放的組件。一方面，對于某些特定組織，物理或化學(xué)信號(hào)刺激是模擬體內(nèi)微環(huán)境的必要條件，該刺激可以促進(jìn)微組織成熟和功能化（例如電刺激可以幫助心肌組織成熟）；另一方面，不同的信號(hào)刺激可以來源于不同藥品的添加，用于藥物篩選。最后是用于讀出結(jié)果的傳感組件，該傳感組件既可以是嵌入式的傳感輸出組件，也可以是基于透明芯片的可視化功能評價(jià)體系。前者讀數(shù)快，但需要解決傳感組件的生物相容性問題；后者相對記錄復(fù)雜，但可分析系數(shù)增加。由于微器官組織芯片的主要用途是基于疾病模型的藥物篩選，目前進(jìn)行研發(fā)的微器官也多集中在和重大疾病相關(guān)的重要組織器官，例如：腦、心臟、腎臟、肝臟等等。

　　微型腦組織芯片

　　大腦作為人體中樞神經(jīng)的所在歷來是藥物篩選和毒性測試的重要靶器官。血腦屏障（BBB）由于其獨(dú)特的選擇性通透性，使得腦組織內(nèi)環(huán)境保持相對穩(wěn)定，維持中樞系統(tǒng)的正常生理功能，成為了藥物檢測研究的重中之重。

　　早在2012年，Yeon等首次發(fā)表了關(guān)于腦微血管系統(tǒng)滲透性測定的微器官組織芯片裝置。該裝置利用聚二甲基硅氧烷預(yù)設(shè)兩個(gè)平行的，有微孔連接的高度為25 μm的管道，通過控制不同管道中液體的流速，在微孔處產(chǎn)生壓力差。而微孔處則是人類臍帶血管內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)層，在用星形膠質(zhì)細(xì)胞條件培養(yǎng)基與血管內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)基分別培養(yǎng)2 h后發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞條件培養(yǎng)基的存在降低了血管內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)層的滲透性。

　　隨后，2013年Griep等發(fā)表了另外一個(gè)微型腦組織芯片模型。該模型將人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞系細(xì)胞培養(yǎng)在多孔聚碳酸酯（PC）膜上形成屏障，通過測試電阻的方式來測定屏障的通透能力，發(fā)現(xiàn)加入炎性蛋白腫瘤壞死因子α后，通透性下降。

　　2015年，Kim等將小鼠bEnd3內(nèi)皮細(xì)胞在3D打印的微管中培養(yǎng)以模擬血腦屏障。熒光標(biāo)記的葡聚糖通透實(shí)驗(yàn)證明了該微器官芯片的功能，甘露醇測定進(jìn)一步表征了滲透性及其隨時(shí)間恢復(fù)的特性。同年的9月，Brown等團(tuán)隊(duì)通過軟光刻將單個(gè)完整的神經(jīng)-血管單元重現(xiàn)在微組織器官芯片上。該芯片分為3層，分別為一個(gè)入口通道血管腔層，腦室層和腦灌注通道層。芯片中使用的細(xì)胞來源于誘導(dǎo)多能細(xì)胞干細(xì)胞（hiPSC）分化而來的功能性神經(jīng)元細(xì)胞。該研究發(fā)現(xiàn)：谷氨酸鹽會(huì)增加滲透性，而抗壞血酸具有降低滲透性的功能；33 ℃的冷休克會(huì)引起血腦屏障的選擇性屏蔽能力降低。

　　2016年，Herland等工作組使用軟光刻法在單個(gè)方形微通道內(nèi)產(chǎn)生圓柱形膠原凝膠管，并且在凝膠管壁內(nèi)嵌入星形膠質(zhì)細(xì)胞，通過在凝膠管腔內(nèi)順序播種周細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞來建立多種細(xì)胞類型協(xié)同的血腦屏障微組織三維模型。該研究發(fā)現(xiàn)：內(nèi)皮細(xì)胞的完整性依賴星形細(xì)胞和周細(xì)胞的存在。相對于簡單的二維培養(yǎng)，這種三維多細(xì)胞類型微組織培養(yǎng)，能夠產(chǎn)生和體內(nèi)血腦屏障類似的功能性炎癥刺激反應(yīng)。這可以幫助研究在炎癥條件下，血腦屏障對不同藥物通透性的變化情況，從而防止產(chǎn)生未預(yù)期的不良反應(yīng)。

　　而在未來的研究中，更多細(xì)胞類型的加入（包括人類免疫細(xì)胞，如嗜中性粒細(xì)胞，膠質(zhì)細(xì)胞和單核細(xì)胞以及人類皮質(zhì)神經(jīng)元等等），無疑會(huì)使微型腦組織器官芯片具有更多的可測試的功能，用于研究神經(jīng)炎癥、其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病、免疫相關(guān)神經(jīng)疾病，以及幫助篩查有可能產(chǎn)生中樞系統(tǒng)毒性的新藥。

　　微型橫紋肌組織芯片

　　心肌和骨骼肌都屬于橫紋肌。心肌是心臟的主要組成部分，而心臟是人體存活的必要器官。骨骼肌約占人總體質(zhì)量的40%，是人體重要的運(yùn)動(dòng)器官。對于橫紋肌來講，一方面，要具有收縮性；另一方面，該收縮受神經(jīng)及電信號(hào)調(diào)控，需達(dá)到收縮的一致性。研究藥物處理對橫紋肌的影響對于幫助開發(fā)更有效和更安全的藥物有重要意義。檢測橫紋肌的功能，可以通過測定肌肉組織的體外收縮性來完成。常用的兩種方法：第1種方法是Uehata等的測量法，直接將手術(shù)取得的橫紋肌肌肉條懸掛在收縮力傳感器上測量，這需要測量較大的力；第2種方法是Jacot等開發(fā)的，利用橫紋肌細(xì)胞收縮距離的變化來模擬計(jì)算細(xì)胞的收縮力，該方法可用來測量單個(gè)肌細(xì)胞，但是得到的收縮力數(shù)值是相對數(shù)值，并不是絕對數(shù)值。

　　2012年，Grosberg等利用二甲基硅氧烷（PDMS）制成帶有表面紋理的彈性薄膜，并將新生大鼠心肌細(xì)胞種于膜上，形成肌肉薄膜（MTF）。伴隨心肌細(xì)胞收縮，該肌肉薄膜可向一側(cè)發(fā)生卷曲。通過測定肌肉薄膜的卷曲程度，可以分析種植在聚二甲基硅氧烷膜上的不同細(xì)胞收縮能力大小的差異。該實(shí)驗(yàn)體系既適用于單一肌肉薄膜的測定，也適用于基于高通量的自動(dòng)化多控板測定。同年5月，Ma等利用標(biāo)準(zhǔn)光刻和軟光刻相結(jié)合，將微電極整合在了微肌肉芯片內(nèi)。通過測試兩電極之間微肌肉束的導(dǎo)電能力來評價(jià)肌肉細(xì)胞的功能。

　　隨后，2013年，Zhang等利用水凝膠系統(tǒng)在聚二甲基硅氧烷模具內(nèi)制作自組裝的心肌組織片。值得一提的是，該工作中用到的心肌細(xì)胞來源于人胚胎干細(xì)胞分化得到的功能性心肌。該三維組織工程人心肌組織片得到了高達(dá)25.1 cm/s的動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度，并具有11.8 mN/mm2的收縮應(yīng)力。和二維培養(yǎng)相比，3D培養(yǎng)更利于hESC-CM的成熟。并且，分化體系的副產(chǎn)物，成纖維細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞能夠幫助心肌細(xì)胞進(jìn)一步成熟。同一實(shí)驗(yàn)室，2014年Juhas等利用類似的培養(yǎng)體系，體外形成三維骨骼肌微肌肉束，移植入小鼠體內(nèi)后呈現(xiàn)骨骼肌相應(yīng)功能，并能夠血管化。2016年，Zhang等應(yīng)用了3D打印技術(shù)制成了同時(shí)整合了心肌和血管系統(tǒng)的微器官組織芯片。該模型先利用血管內(nèi)皮細(xì)胞形成血管網(wǎng)，再將心肌細(xì)胞接種于血管網(wǎng)的間隙中，該血管-心肌微器官組織芯片為心血管相關(guān)藥物提供了可能的篩選平臺(tái)。

　　微型肺組織芯片

　　近10年來，科學(xué)家們已設(shè)計(jì)出多種基于微流控的、用于研究肺的生理學(xué)功能的肺組織器官芯片，其中有些甚至可以用作呼吸輔助裝置或者氧合器。第一個(gè)設(shè)計(jì)出微型肺芯片的是Huh等工作組，他們利用軟光刻成型技術(shù)制作了一個(gè)分為上下兩個(gè)腔室的微型芯片，人肺泡上皮細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞分別培養(yǎng)于上腔室和下腔室中，上下兩腔室被10 μm厚、附有細(xì)胞外基質(zhì)的帶微孔聚二甲基硅氧烷膜隔開。

　　為了模擬真實(shí)肺泡結(jié)構(gòu)—形成肺泡-毛細(xì)血管的類似氣-液界面，在細(xì)胞附著在聚二甲基硅氧烷膜之后，下部腔室通以培養(yǎng)基使兩種細(xì)胞生長匯集，上部腔室通以空氣誘導(dǎo)細(xì)胞分化，形成氣液界面。同時(shí)，由于聚二甲基硅氧烷膜具有彈性，Huh等在上層氣相腔室中構(gòu)建中空室，進(jìn)行循環(huán)真空抽吸來模擬人體肺中隔膜收縮導(dǎo)致的肺泡的擴(kuò)張、收縮與肺泡-肺泡毛細(xì)血管屏障的變形。利用該裝置，Huh等進(jìn)行了炎癥損傷、納米毒理學(xué)、肺水腫等研究，驗(yàn)證了其仿生能力，并首次說明了生理機(jī)械力對白細(xì)胞介素2誘導(dǎo)的肺泡毛細(xì)血管屏障通透性的增加，存在不良影響。2015年，Stucki及其同事報(bào)道了另一種微型肺組織器官芯片，該模型使用來自患者的原代人肺泡上皮細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)，并首次使用三維立體的擴(kuò)張方式來取代單向彈性膜擴(kuò)張來擬呼吸。隨后，Blume等開發(fā)了一種新型的氣道上皮細(xì)胞三維體外培養(yǎng)模型，直接將帶有原代支氣管上皮細(xì)胞的插入式細(xì)胞培養(yǎng)器（Transwell?）整合到微流體培養(yǎng)系統(tǒng)中，利用系統(tǒng)能不斷地交換體液和介質(zhì)的特性，來模擬肺間質(zhì)流動(dòng)，從而達(dá)到在更接近體內(nèi)的環(huán)境中研究上皮屏障反應(yīng)的目的。這套微流控系統(tǒng)利用帶有可滲透過濾器的支架作為單一組織培養(yǎng)室，并將多個(gè)培養(yǎng)室聯(lián)合起來，使其集成性提高，更容易和其他（如皮膚、腸、肝或腎）微器官組織芯片聯(lián)用。在微型肺組織器官芯片中，在通過微流控系統(tǒng)來模擬肺部氣-液界面和呼吸擴(kuò)張的同時(shí)，還能向肺泡及附著的毛細(xì)血管施加壓力并提供剪切流動(dòng)剖面，進(jìn)而更真實(shí)的模擬肺部環(huán)境。肺組織器官芯片同樣還用于研發(fā)具有臨床應(yīng)用潛力的可植入呼吸輔助裝置，例如Kniazeva等和Hoganson等基于堆疊微通道網(wǎng)絡(luò)與超薄氣體交換膜設(shè)計(jì)出了小型微流體人造肺和可植入的動(dòng)態(tài)肺輔助裝置。Rochow等同樣也利用堆疊微通道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出了一種微型氧合器，可通過臍帶血管灌注到胚胎中，以支持呼吸功能不全的新生兒。鑒于流體參數(shù)的精確控制以及組織界面的成功建模，微流體平臺(tái)在呼吸系統(tǒng)病理生理學(xué)研究中的應(yīng)用將越來越廣泛。

　　微型腎組織器官芯片

　　腎臟的主要功能是產(chǎn)生尿液，一方面，腎臟的濾過功能幫助排出代謝廢物和毒素；另一方面保留水分，對蛋白、糖類及無機(jī)鹽進(jìn)行重吸收，以調(diào)節(jié)人體的電解質(zhì)平衡及酸堿平衡。在藥物篩選中，很多藥物具有很高的肝腎毒性，會(huì)對腎臟的濾過功能產(chǎn)生不可逆的損傷。研制微型腎組織器官芯片對于藥物的毒性篩查有重要的意義。

　　有效培養(yǎng)腎小管細(xì)胞對體外模擬腎功能極為重要，而微流控系統(tǒng)一方面可以真實(shí)模擬腎小管細(xì)胞生長所依賴的流體環(huán)境，另一方面還可以提供多孔膜支撐，以利于細(xì)胞極性的形成。Jang等2010年首次介紹了一種用于培養(yǎng)小鼠腎臟內(nèi)髓集合管細(xì)胞的多層微流控裝置用于模擬小鼠的腎濾過系統(tǒng)。該裝置由聚二甲基硅氧烷制成的上下2個(gè)小室組成，上室具有通道，其間通以流體來模擬尿腔，下室用以培養(yǎng)細(xì)胞，兩室之間用多孔膜相隔。該裝置通過提供一個(gè)仿生環(huán)境，增強(qiáng)了小鼠腎臟內(nèi)髓集合管細(xì)胞的極性、幫助其細(xì)胞骨架重組，幫助其在激素刺激下的分子轉(zhuǎn)運(yùn)。2013年，該工作組利用同樣的微流控裝置培養(yǎng)人原代腎上皮細(xì)胞制備人微型腎組織器官芯片，除了顯示出更強(qiáng)的白蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)、葡萄糖再吸收等能力外，利用該裝置還測量出更接近體內(nèi)的順鉑毒性和Pgp流出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性。在2015年Ilka Maschmeyer及其研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造的四器官芯片聯(lián)通系統(tǒng)中，也有微型腎組織器官芯片。該系統(tǒng)分為6 個(gè)腔室，2個(gè)作為排泄液體的儲(chǔ)存器，另外4個(gè)作為肝臟、小腸、腎臟、皮膚組織的培養(yǎng)室。系統(tǒng)中血液流回路和排泄流回路分別由單獨(dú)的微量泵控制，且在腎近端小管培養(yǎng)室中重疊。該系統(tǒng)不僅重建了腎近端小管屏障模型，還首次實(shí)現(xiàn)了4個(gè)組織持續(xù)28d內(nèi)環(huán)境可重復(fù)的共培養(yǎng)，構(gòu)建的系統(tǒng)能夠支持候選藥物微流體ADME（吸收、分布、代謝、排泄）分析和劑量可重復(fù)的全身毒性實(shí)驗(yàn)。2016年Zhou等為研究高血壓腎病所設(shè)計(jì)的腎小球芯片模型也采用了類似的上下室結(jié)構(gòu)：上室提供灌注流產(chǎn)生機(jī)械力，下室通廢液，中間以多孔膜相隔，多孔膜上端培養(yǎng)小鼠腎小球內(nèi)皮細(xì)胞，下端培養(yǎng)小鼠足細(xì)胞。不同的是，他們將4個(gè)相同的細(xì)胞培養(yǎng)室相連形成一個(gè)單元來模擬腎小球毛細(xì)血管環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同一芯片上又集成了4個(gè)腎小球單元以便提高實(shí)驗(yàn)效率。

　　微型肝組織器官芯片

　　肝臟是人體重要的解毒器官，對于藥物的藥代動(dòng)力學(xué)和毒性測試有著重要的意義；并且，如何能夠在體外培養(yǎng)成體肝臟細(xì)胞并保持其活性一直是困擾肝細(xì)胞相關(guān)研究的瓶頸。早在2006年，Kane等設(shè)計(jì)出最原始的肝組織器官芯片，由64個(gè)（8×8）微流體孔構(gòu)成的陣列組成，孔內(nèi)共培養(yǎng)有大鼠肝細(xì)胞和3T3-J2成纖維細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)基和氣道的分離。該芯片內(nèi)培養(yǎng)的大鼠肝細(xì)胞具有連續(xù)、穩(wěn)定合成白蛋白與代謝的能力。相比該工作，Lee等2007年設(shè)計(jì)的微型肝組織器官芯片模擬條件更接近于體內(nèi)生理?xiàng)l件。該芯片主體分為細(xì)胞培養(yǎng)室和流體通道，二者由類內(nèi)皮細(xì)胞屏障隔開。該屏障由有機(jī)硅蝕刻而成，一方面濃縮培養(yǎng)室中的細(xì)胞；另一方面將培養(yǎng)室和流體通道隔開，減少對流的同時(shí)，允許物質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)輸，從而達(dá)到模擬肝血竇功能的目的。在該裝置中，大鼠與人的肝細(xì)胞在無細(xì)胞外基質(zhì)涂層的情況下存活了7 d，且通過代謝介導(dǎo)的肝毒性雙氯芬酸實(shí)驗(yàn)說明其具有代謝毒性物質(zhì)的功能。

　　Lee等2013年設(shè)計(jì)的一種三維微型肝組織芯片則是用于研究肝細(xì)胞和肝星狀細(xì)胞（HSCs）的相互作用。該芯片由兩個(gè)腔室構(gòu)成，一個(gè)室表面平坦，用于培養(yǎng)大鼠肝星狀細(xì)胞，另一個(gè)室具有凹孔，用于培養(yǎng)大鼠肝細(xì)胞球體。兩種細(xì)胞接種到培養(yǎng)室后，以連接管相連，在滲透泵的作用下，培養(yǎng)基連續(xù)從肝星狀細(xì)胞培養(yǎng)室流向肝細(xì)胞培養(yǎng)室。共培養(yǎng)的肝細(xì)胞球體相比于單培養(yǎng)球體，流出液中白蛋白和尿素的含量更高，說明肝星狀細(xì)胞有助于肝細(xì)胞球體的維持。Bhise等2016年先利用聚二甲基硅氧烷微孔共培養(yǎng)HepG2/C3A細(xì)胞形成球體，以更好的模擬體內(nèi)肝小葉中肝細(xì)胞狀態(tài)，再將球體以7×7的陣列生物打印到芯片中的中心細(xì)胞培養(yǎng)室中，培養(yǎng)室通過流體通道與出入口相連。以流出液中白蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白、銅藍(lán)蛋白等生物標(biāo)志物含量作為檢測指標(biāo)，結(jié)果不僅證明該芯片在應(yīng)對APAP治療時(shí)的結(jié)果類似于動(dòng)物和體外模型，可被用于藥物毒性分析，還證明經(jīng)30 d的培養(yǎng)后，細(xì)胞球體仍保持較高的活性。截至目前，最新設(shè)計(jì)出的微型肝組織芯片則通過開發(fā)無泵微流體灌注平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了人肝細(xì)胞樣細(xì)胞的高效分化，以及可擴(kuò)展的肝小葉芯片實(shí)現(xiàn)人肝細(xì)胞的穩(wěn)定培養(yǎng)和周邊組織（膽汁小管網(wǎng)絡(luò)）的形成。

　　微型皮膚芯片

　　鑒于皮膚移植相對于其他器官移植要簡單易行，以及皮膚本身平面化的特征。皮膚的微器官芯片在研究如何促進(jìn)血管化的基礎(chǔ)上，更增加微器官復(fù)雜度，著眼于探索制作功能和正常皮膚更類似的微器官。

　　O’Neill等在2008年構(gòu)建了首個(gè)培養(yǎng)人類表皮角化細(xì)胞（HEK）的四通道微流控裝置。裝置最底層為50 mm×75 mm的載玻片，使用Ⅰ型鼠尾膠原在載玻片上構(gòu)建平行條帶，進(jìn)而選擇性黏附、擴(kuò)增不同通道中的HEK，模擬多孔板中的培養(yǎng)物陣列；再在膠原條帶上放置軟光刻而成的PDMS細(xì)胞培養(yǎng)通道，4個(gè)通道以不同流速灌注細(xì)胞，72 h培養(yǎng)后，培養(yǎng)基灌注速率0.025-0.4 μL/min時(shí)，細(xì)胞可維93.0%-99.6%的存活率。2013年，Atac團(tuán)隊(duì)開發(fā)的灌注平臺(tái)將培養(yǎng)有青少年包皮組織及下層支撐組織和男性頭皮毛囊的Transwell分別插入平臺(tái)中，以微通道將兩者相連，并通過內(nèi)置微型泵驅(qū)動(dòng)平臺(tái)內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與靜態(tài)培養(yǎng)相比， 灌注培養(yǎng)延長了皮膚等效物的培養(yǎng)周期、提高了毛發(fā)纖維的伸長率。同年Ilka Wagner等通過利用類似的微流控設(shè)備再次證明，灌注培養(yǎng)可延長市售的皮膚等效物的培養(yǎng)周期與更有效的開展藥物研究。2015年，Abaci等設(shè)計(jì)的皮膚芯片可持續(xù)培養(yǎng)人成纖維細(xì)胞與角質(zhì)形成細(xì)胞共培養(yǎng)形成的人體皮膚等效物，該芯片分為3 層，最底層PDMS兩側(cè)均有培養(yǎng)基儲(chǔ)存器，兩者以微流體通道相連，最上層PDMS有培養(yǎng)孔，其中可插入培養(yǎng)有人皮膚等效物的Transwell，上下兩層以聚碳酸酯多孔膜相隔。人皮膚等效物底層與多孔膜接觸，頂層直接與空氣接觸；整個(gè)芯片置于一個(gè)搖擺平臺(tái)上，利用平臺(tái)的循環(huán)搖擺合適的介質(zhì)流速；該芯片不僅可以持續(xù)3周穩(wěn)定培養(yǎng)人皮膚等效物用作藥物測試，還建立起了數(shù)學(xué)模型以助于更好的評估藥物擴(kuò)散和分配速率，從而獲得更佳的測試結(jié)果；Wufuer等2016年開發(fā)了由表皮、真皮、血管層3層組成的人體皮膚模型，該芯片包含3個(gè)PDMS 層和2個(gè)用以分隔的聚酯多孔膜，上層膜上表面培養(yǎng)人表皮角質(zhì)形成細(xì)胞，下表面和下層膜上表面培養(yǎng)成纖維細(xì)胞，下層膜下表面則培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞，培養(yǎng)3 d使3種細(xì)胞匯合。該模型成功模擬了皮膚炎癥與水腫模型，從而更有針對性的開展透皮藥物治療與皮膚損傷修復(fù)。

　　文章總結(jié)了近10年各類微器官芯片的研究進(jìn)展（見表1），關(guān)于器官組織芯片的設(shè)計(jì)制作主要從以下幾個(gè)方面出發(fā)：①模擬體內(nèi)細(xì)胞構(gòu)成，形成適宜目的細(xì)胞類型生長的小生境；②以三維培養(yǎng)代替二維平鋪培養(yǎng)，通過氣液分離，構(gòu)建芯片內(nèi)三維培養(yǎng)環(huán)境；③生長因子和物理刺激相結(jié)合，促進(jìn)培養(yǎng)細(xì)胞成熟；④芯片整合微型傳感器，使得細(xì)胞培養(yǎng)與功能測試一體化。這些設(shè)計(jì)上的出發(fā)點(diǎn)簡言之就是仿生、促生長、促成熟和易檢測。培養(yǎng)細(xì)胞及微組織功能性的提高無疑會(huì)增加目的器官芯片在藥物測試中的真實(shí)可靠性，易檢測的微器官芯片則會(huì)利于高通量篩選和產(chǎn)業(yè)化對接。

　　微器官芯片研究總覽

　　同時(shí)，以上提到的器官組織芯片的設(shè)計(jì)制作幾方面也存在著相應(yīng)的瓶頸和挑戰(zhàn)：①模擬體內(nèi)生境：需要更加深入的基礎(chǔ)研究，尤其是對人體正常組織器官的精確細(xì)胞水平、基因表達(dá)水平分析。目前有了長足發(fā)展的單細(xì)胞測序技術(shù)、人細(xì)胞圖譜計(jì)劃、計(jì)算機(jī)組織建模技術(shù)會(huì)為體內(nèi)生境的重建提供更精確的線索；②構(gòu)建三維培養(yǎng)體系：雖然較之二維，三維培養(yǎng)能夠更貼近組織的體內(nèi)狀態(tài)，但是，三維培養(yǎng)的可控性、刺激一致性較之二維培養(yǎng)均有下降。如何能夠通過組織工程及微流控，結(jié)合光刻和三維打印，制備標(biāo)準(zhǔn)化的微組織，將會(huì)成為下 一步工作的難點(diǎn)；③如何促進(jìn)或維持培養(yǎng)細(xì)胞的成熟一直是體外培養(yǎng)面對的難題。隨著基礎(chǔ)研究的進(jìn)一步深入，促進(jìn)細(xì)胞的體外成熟也在逐漸向可控和降成本發(fā)展；④易檢測，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各類微型傳感器的研發(fā)和微集成技術(shù)的更新?lián)Q代，微器官組織芯片也需要緊跟前沿，將先進(jìn)的傳感技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

　　除了以上幾點(diǎn)，微器官組織芯片的最大問題是細(xì)胞來源。一方面，非人源細(xì)胞和動(dòng)物模型的種間差異，使得人來源的細(xì)胞成為微器官組織芯片最佳的細(xì)胞來源。另一方面，人終末功能性細(xì)胞的來源一直制約了各類相關(guān)研究應(yīng)用（見圖1）。人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞的出現(xiàn)，無疑為該問題的解決提供了直接幫助。通過體外分化，人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞能夠分化為各類型終末分化細(xì)胞。這些終末分化細(xì)胞，既是人來源的細(xì)胞，又是具有功能性的終末分化細(xì)胞。同時(shí)，個(gè)性化的人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞的制備，又為制備患者特異的具有特定突變的疾病模型微器官提供了可能。

　　圖1 人誘導(dǎo)性多能行干細(xì)胞（hiPSC）分化得到的各類細(xì)胞可作為微器官芯片開發(fā)最佳的細(xì)胞來源

　　綜上，隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，微器官組織芯片將有望大規(guī)模應(yīng)用于新藥的研發(fā)和藥物毒理性測試，取代或部分取代動(dòng)物模型，并進(jìn)一步降低成本、縮短周期提高有效性。