空間生物醫學研究中的人體器官芯片研究進展

王小雪，李 飛?

(1. 中國空間技術研究院航天神舟生物科技集團有限公司， 北京100080； 2. 中國航天科技集團有限公司空間生物工程研究中心， 北京100080； 3. 北京市空間生物工程技術研究中心， 北京100080)

1 引言

長期空間環境暴露可顯著增加航天員的健康風險。 航天員在空間微重力和封閉環境下會出現多生理系統的加速老化癥狀。 導致這些癥狀的原因是重力缺乏、輻射過量等多種復雜空間環境因素。 這些因素對航天員健康影響是多方面的，包括但不限于：運動功能影響，如下肢肌肉萎縮，創傷后骨關節炎幾率增加等現象；心血管健康危害，如心臟功能減低、血腦屏障完整性被破壞等；免疫功能損傷，增加肺部感染幾率，增加航天員結腸炎易感性等。 因此深入研究航天員在軌生理病理功能變化，完善預防和治療方案，是保障航天員健康的重要手段。 但是，空間實驗條件存在局限性，對航天員自身進行在軌多器官水平的研究非常困難，而地面研究又缺乏空間環境的特殊性。 因此，目前關于空間環境對健康影響的機制研究多采用細胞和動物模型。 但細胞模型從功能、結構上缺乏人體器官的復雜性，不能真實模擬組織環境；而動物模型由于種屬差異，缺乏人體內某些關鍵的酶或分子通路，可能影響空間醫藥實驗結果的準確性。

器官芯片(Organ-on-chips)是一種基于微流控技術模擬人體器官的復雜微結構、微生理功能的仿生系統，也叫組織芯片(Tissue Chips)或微生理系統(Microphysiological Systems)。 開發器官芯片的初衷是在體外構建接近生理功能的器官組織結構，用于為藥物臨床前功效和毒性研究提供合理有效的替代方法。 器官芯片相對于細胞和動物實驗的研究具有諸多優勢：①器官芯片的出現突破了體外細胞模型的孤立性和單一性；可以高度模擬在體器官功能，還可以實現器官內細胞間的相互作用；微流控控制的灌流系統可以動態控制細胞的系統環境。 這些優勢都是體外靜態培養細胞模型遠不具備的。 ②器官芯片改善了動物模型低通量的缺點，現有的器官芯片可以實現高通量、高重復性的活細胞微工程系統，同時可以在線檢測數百個平行的微器官功能和反應。 ③器官芯片可以高度模擬不同器官微環境的復雜性，研究者可將多種器官芯片聯用，實現“人體芯片”(Human-on-chip)的功能。 目前已報道的器官芯片包括骨骼、皮膚、軟骨、腎臟、大腦、心臟、骨骼肌和腸道等。

器官芯片由于其可靠性，高通量和體內相似性的特點，非常符合航天器在軌開展生物研究的需求。 美國已實施了“空間芯片”(Tissue Chips in Space)計劃，涉及多種器官芯片的在軌研究。 我國的器官芯片開發也走在世界前列，目前已開發出適合空間站使用的器官芯片。本文針對國內外空間站使用器官芯片的研究進展進行綜述。

2 美國空間芯片計劃

2016 年，美國國家轉化科學促進中心(National Center for the Advancement of Translational Science，NCATS)與國際空間站美國國家實驗室(ISS National Lab)共同發布了總投資1100 萬美元的太空芯片計劃，提出在2017 年～2018 年篩選多種器官芯片，探索可在國際空間站開展的器官芯片技術應用研究，并在軌測試潛在的治療方法和新藥。

太空芯片計劃的實施分為2 個階段：第1 階段(第1 年)，研究人員將在地面實驗室開發器官芯片系統，然后NASA 將提供一次在軌1 個月的空間站飛行實驗，對芯片系統進行在軌驗證；第2階段(第2 年～第3 年)，NASA 再次提供在軌實驗機會，將首次任務中開發的疾病模型芯片應用到新藥物和新治療方法的測試中；第3 階段(第4年)進行數據整理和文獻發表，具體流程見圖1。項目運作模式是科研單位，如大學和研發型公司負責芯片的開發；與空間站對接供應商如Space Tango、BioServe 等公司合作，使芯片項目實現標準化、自動化和輕量小型化。

圖1 空間芯片項目開展流程Fig.1 Tissue Chips in Space project timelines

2017 年～2018 年，NCATS 公布了9 個芯片項目入選太空芯片計劃。 2018 年12 月，免疫系統芯片作為首個器官芯片入軌實驗。 2019 年5月，4 個器官芯片登上國際空間站。 2020 年3 月和12 月，分別有42 個器官芯片進入國際空間站開展研究(表1)。

2.1 免疫系統芯片

微重力環境可以加速航天員的免疫老化效應，與地面人體免疫系統老化效應類似。 這種免疫老化的特征之一是體內CD8+記憶T 細胞TEMRA 亞群的比例顯著增加，這些細胞的積累可能會增加常見的全身炎癥反應，引起免疫老化效應。 為了研究微重力環境對航天員免疫老化效應，Schrepfer 等采用免疫系統芯片模擬微重力下的免疫系統應答。 該項目研發的免疫系統芯片采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)制成，其核心結構為3 條平行并緊密相鄰的微流控通道，每個通道具有獨立的灌注緩沖池，通道之間由半透膜或者基質膠分隔。 將CD8+T淋巴細胞，間充質基質細胞和血管內皮祖細胞在各自通道內培養，形成具有分子信息交換條件的“半三維”結構。

表1 空間芯片計劃入選器官芯片信息Table 1 Tissue Chips in Space Project details

項目第1 階段是在正常重力和模擬微重力條件下，開展對CD8+T 細胞與干細胞共培養的研究；第2 階段在軌評價CD8+T 細胞分化為TEMRA(CD8+ effector memory RA)細胞的能力，研究微重力下衰老的免疫細胞對干細胞功能的影響。 該芯片已于2018 年12 月通過SpaceX 公司的發射任務送往國際空間站。

2.2 腎臟芯片

航天員長期在軌生活可以引起腎近端小管活化維生素D 的能力下降，進而引起骨骼脫鈣和腎臟脫水等健康問題，甚至導致蛋白尿、腎結石等急性癥狀，且癥狀進展較地面環境更加迅速。

為了研究空間環境對腎臟近端和遠端小管上皮極化結構(如離子和溶質轉運蛋白)的影響，Himmelfarb構建了基于人近端腎小管上皮細胞(Proximal tubular epithelial cell， PTEC)的腎臟芯片系統，并利用該系統研究了長期微重力暴露對腎近端小管內的維生素D 生物活化能力的影響。該項目研發的腎臟芯片由2 片PDMS 模塊疊合澆鑄而成，整體模塊的頂部和底部分別與玻璃和聚碳酸酯粘合。 2 片PDMS 模塊中間組裝硅酮隔膜和微纖維形成微流控通道，通道表面經等離子體處理并預敷I 型鼠尾膠原蛋白，形成灌注通道結構。 通道尺寸與人體近端小管尺寸接近。

構建腎臟器官芯片的方法是接種人PTEC 細胞至通道內，細胞生長可自組裝形成三維管狀結構。 通道內的三維管狀細胞之間形成基底外側交叉結構，具有體內腎小管上皮極化結構的特征，并且表達腎臟轉運關鍵蛋白，具有與體內相似的有機溶質轉運能力。 芯片中的近端小管部位具有將25-OH 維生素D代謝成生物活性物的能力，可以模擬與體內相似的維生素D 代謝途徑，用于航天員骨骼脫鈣和腎臟功能的相關研究。

該項目開發重點是在軌小型化研究。 項目第1 階段搭載的24 個芯片系統與配套的管路、泵等結構原體積為1350 L。 為了滿足飛船有限的搭載資源，工程人員重新設計了管路，將后續的發射裝載體積壓縮至45 L。

2.3 肺部感染芯片

長期微重力暴露和封閉空間站內的多種微生物菌群會擾亂航天員的免疫系統，使其在軌受感染機會增加。 而其中的銅綠假單胞菌，會顯著增加免疫受損的航天員肺部感染幾率。 現有的動物和細胞模型很難模擬感染后肺部毛細支氣管中多種細胞之間復雜的相互作用，以及感染后多器官交互的整體免疫反應。 為了研究航天員肺部感染后的免疫反應機制，Huh 等分別建立了氣道芯片和骨髓組織芯片，并采用2 種芯片聯用的方法模擬微重力下肺組織感染，并研究肺感染銅綠假單胞菌時骨髓中的中性粒細胞動員機制。 該項目開發的氣道芯片和骨髓芯片均是雙層夾膜結構(圖2)，剖面結構類似“日”字形，包括頂部和底部的微通道，中間層為多孔的PDMS 膜，膜上下兩面涂有I 型膠原，便于細胞粘附生長。多孔膜上下通道內可以灌流培養基和空氣。

圖2 氣道芯片剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of a cross-section through the small airway-on-a-chip

氣道芯片的實現方法是接種原代人氣道上皮細胞于多孔膜上表面，在上下兩層微通道中灌流培養基，并在上層通道內引入空氣以促進氣道上皮細胞分化。 在多孔膜的下表面植入原代人肺微血管內皮細胞，直至上下表面組織融合形成完整界面，這樣的分層結構可以模擬氣道的屏障功能和纖毛活動頻率。 骨髓芯片的構建是在多孔膜上表面接種骨髓基質干細胞(Bone marrow stromal cells， BMSC)和原代人CD34+細胞進行共培養，分化形成由多種造血細胞(中性粒細胞和紅系譜系)組成的致密微環境，類似于在體骨髓結構。 多孔膜下表面和其連通的微通道腔表面上接種人臍靜脈內皮細胞(Human umbilical vein endothelial cell， HUVECs)，用于形成血管腔結構。該芯片具有與人類骨髓類似的造血功能，同時可以觀察到炎癥干細胞的遷徙作用。 2 個芯片可以通過通道串聯，實現多器官聯動研究。

在項目第1 階段，研究人員開發與驗證了骨髓芯片和氣道芯片；第2 階段，將采用骨髓芯片和氣道芯片聯用的方法，在軌評價肺部感染后，中性粒細胞從骨髓的動員情況，以了解微重力環境下人體呼吸系統和免疫系統的影響。

2.4 血腦芯片

血腦屏障(Blood-brain Barrier，BBB)是一種由多細胞的神經血管單位組成的一個緊密的轉運屏障，在多種神經系統疾病中發揮重要的調節作用。 微重力環境可以影響血腦屏障的內皮細胞粘附分子和緊密連接蛋白水平，進而影響血腦屏障的完整性。了解微重力對BBB 正常功能和炎性病變的影響，將促進與BBB 有關的神經變性和癌癥等疾病的相關研究，并為藥物發現提供新的機制靶點。

美國器官芯片商業化公司Emulate 開發了適用于在軌環境的血腦屏障芯片，用于了解微重力對BBB 正常功能和炎性病變的影響。

在軌BBB 芯片與肺部芯片的結構類似。 由上下2 個微流控通道構成，中間由多孔柔性PDMS 膜分隔開。 膜的表面預鋪了IV 型膠原纖維連接蛋白用于細胞生長。 研究人員首先誘導多能干細胞(iPSC)分化為星形膠質細胞和早期神經祖細胞，并將這些細胞與其他神經祖細胞在芯片上層膜上進行共培養。 在芯片下層通道上，培養星形膠質細胞，形成中空的血管樣結構單層。該血管結構可表達與人血腦屏障類似的內皮標記物，如PECAM-1、ZO-1 等以及膜轉運標志物，如葡萄糖轉運蛋白(GLUT-1)、P-糖蛋白1(PGP1)等功能分子。 該器官芯片可以實現與人腦血管非常相似的跨膜電阻，并準確預測藥物的血腦通透性。

在軌BBB 芯片將在空間站上采集不同時間點的膜結構圖像、生化指標，返回后進行細胞轉錄組研究。 以期提供一種微重力下新型的體外器官研究平臺，用于研究微重力對人體血腦屏障的影響，并提供一種新型的基于微重力血腦屏障模型的藥物和治療手段研發方式。

2.5 軟骨-骨-滑膜關節芯片

在軌航天員工作強度大，并且缺乏運動，因此急性關節損傷幾率很高，易發展為創傷后骨關節炎。 這種骨關節炎可導致軟骨細胞死亡、組織降解、囊腫形成等癥狀。 為了研究空間環境下創傷后骨關節炎的機制和療法， Grodzinsky 開發了機械損傷的人體軟骨-骨骼-滑膜組織共培養芯片，在太空和地面建立急性關節損傷疾病模型。

軟骨共培養芯片采用柔性PDMS 基質和聚乙二醇(Polyethylene Glycol， PEG)水性基質膠的細胞共培養系統結合，形成模擬人源的軟骨-骨骼-滑膜組織創傷性關節炎的芯片系統，用于研究急性損傷后培養基中炎性因子的水平和候選藥物在急性關節損傷后降低細胞死亡，改善組織降解過程的作用。

前期地面驗證研究顯示：機械性損傷和滑膜組織炎性細胞因子水平升高兩種因素共同導致了軟骨和軟骨下骨組織中大量的細胞死亡，培養基中炎性因子IL-6、IL-8、TNF-a 和胺基聚糖水平升高，伴隨軟骨降解。 給與地塞米松后，顯著降低了細胞死亡水平和胺基聚糖釋放水平。

該系統計劃進入國際空間站進行在軌微重力環境下軟骨退化方面的研究，并將在可變重力平臺上進行創傷后骨關節炎和骨丟失引起的肌肉骨骼疾病的相關病理學研究。

2.6 腸道芯片

腸道菌群是維系消化系統正常生理功能的重要微生物群，空間環境會破壞腸道菌群穩態并增加結腸炎幾率。 為了更好的了解空間環境對腸道菌及免疫系統的影響，研究人員研制了腸道細胞-免疫細胞-微生物的共培養芯片，在空間環境下研究腸道對益生菌和致病菌-沙門氏菌的免疫反應。 該腸道芯片采用了器官芯片開發公司Emulate 開發的成熟商業芯片。

腸道芯片由PDMS 制成(圖3)，橫截面結構分為左、中、右3 部分：中間室由柔性多孔PDMS膜分為上下2 層，預鋪細胞外基質(Extracellular matrix， ECM)涂層，用于細胞培養。 中間室的左右兩側緊貼可機械形變的真空室。 將人結直腸癌(Caco-2)腸上皮細胞培養于PDMS 柔性多孔膜的上表面，在柔性膜下層通道內加載培養基持續灌注，真空室同時壓縮中間室產生循環機械變形，用以促進細胞形成腸道絨毛結構。 這些絨毛結構與傳統靜態單層培養的細胞相比，更接近腸道生理結構功能，并可使細胞和益生菌腸道微生物長期共培養(2 周以上)。 研究人員將腸道免疫細胞(如人外周血單個核細胞)、腸感覺神經元、致病菌引入腸道芯片中，建立類似于人體腸道感染的體外疾病模型。

在軌實驗的腸道芯片系統將配備實時熒光成像系統，以實時觀察微重力下腸道結構受到感染后的屏障結構變化。 該芯片將用于研究空間獨特環境下腸道的細胞、分子和免疫反應的影響。

圖3 腸道芯片剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of a cross-section through the gut-on-a-chip

2.7 肌肉芯片

空間失重環境會引起航天員肌肉，特別是下肢肌肉萎縮。 為保證肌肉力量，航天員會耗費大量精力和時間進行抗阻訓練，以防止肌肉質量下降。 早期模擬微重力研究證明，微重力會引起肌肉細胞發育基因Pax7 的表達水平顯著下降，從而引起肌肉中肌管數量減少，降低肌肉的質量。 這些現象與衰老引起的肌少癥癥狀類似。因此，空間環境的肌肉芯片研究，可更好地模擬微重力環境下肌肉衰老生理變化。

為空間站芯片計劃開發的肌肉芯片采用凝膠基質構建立體培養的肌肉纖維結構。 研究人員從年輕的健康人和年老久坐志愿者體內分離原代人類肌細胞，與膠原/基質凝膠混合物共培養形成3D 肌肉纖維束。 肌節α-肌動蛋白和F-肌動蛋白的表達結果顯示，芯片上培養的骨骼肌組織出現了規則的肌節結構和成熟的肌管分化。 將該芯片連接電極刺激肌肉細胞，可通過肌柱位移來估計電刺激引起的肌肉收縮力，評價肌肉功能。

通過肌肉芯片和在軌顯微實時影像技術聯用，可在軌采集肌肉收縮圖像信息，檢測肌肉收縮力。 研究人員計劃研究不同人群的肌肉組織在微重力下的收縮能力和肌肉強度變化，同時在軌測試抗肌萎縮藥物的藥效與毒性，以開發抗肌少癥的新療法及藥物。

2.8 心臟芯片

早期在軌航天員人體實驗和2016 年NASA開展的空間站雙胞胎實驗結果顯示，6 個月以上的空間站生活會造成心率降低、動脈壓降低和心輸出量增加，這些結果促使科學家關注微重力下的心血管健康。 現階段有關心臟的微重力研究多采用小鼠和大鼠的心肌細胞培養模型，但是動物細胞培養很難模擬人類心臟的生理和結構功能。 最新研究中，采用人源誘導多能干細胞(Human induced Pluripotent Stem Cells，hiPSCs)來源的心肌細胞，實現了可在體外大量長期培養心肌細胞的技術突破。 基于人類干細胞來源的心臟芯片項目已經進入在軌實施階段，用于研究微重力暴露后的心臟功能。

1)普通結構性心臟器官芯片。 基本構成是三維細胞外基質(Matrigel 或3D-PEG 水凝膠)和其中誘導分化的心肌細胞團塊。 三維基質浸潤在不同培養條件的培養基中，用于誘導和營養心肌組織。 將人源誘導多能干細胞衍生心肌細胞(Human-induced Pluripotent Stem Cell-derived Cardiomyocytes， hiPSC-CMs)植入三維細胞外基質中，培養形成三維心臟組織塊(Engineered Heart Tissues， EHT)。 培養的心臟組織具有成年心肌組織的基因表達譜和超微結構，可以大量形成與人心臟類似的肌節結構。

普通結構性心臟芯片項目第1 階段采用3 種不同人種的外周血單核細胞(Peripheral Blood Monouclear Cells， PBMCs)分化多能干-心肌細胞，并將培養的三維心臟組織置于微重力環境下，研究心肌減弱機制；第2 階段是在該芯片上測試常用的心血管疾病藥物(如ACE 抑制劑，β 受體阻滯劑和他汀類藥物等)對微重力下心臟組織的保護作用，并研究組織反應中的個體差異，用于探索航天員心臟健康保障手段。

2)具有電生理功能的心臟器官芯片。 現有人源誘導多能干細胞衍生心肌細胞的局限之一是分化后心肌結構表型缺陷，不具備成人心肌的結構和功能。 為克服這一局限，研究人員通過制備導電膜層和模擬心肌外基質的波紋結構支架來促進心肌組織發育，使其具有各向異性。 種植在波紋導電膜上的人胚胎干細胞分化成心肌細胞，比不導電平面基質上的細胞在各向異性排列上更有序，肌節更長，連接蛋白(Cx43)表達增加。 標志著心肌發育成熟的標志物如成人心肌標志物(hMYH7)和心肌肌鈣蛋白T2 (TNNT2)表達量也顯著增加。

該芯片項目采用仿生波紋結構的導電支架促進了心肌細胞的成熟和完全分化，生成成熟的三維工程心臟組織。 在軌實驗將重點評估藥物和機械刺激對改善太空中心臟功能、減輕微重力誘發的心臟疾病的作用，并有助于推動新的治療策略研發。

3 我國開展的空間器官芯片研究

我國的器官芯片研究處于世界前列水平，已報道的有肝臟芯片、胰島芯片和腦芯片等。 隨著自有空間站的建立，我國也已開展適用于空間站環境的器官芯片研究。

趙遠錦等構建了國內第1 個適用于空間站和回轉系統的肝臟芯片。 微重力環境會引起肝臟自身應激反應和藥物代謝酶(如細胞色素p450)表達的變化，從而導致肝臟對藥物代謝和清除能力的改變，增加在軌航天員用藥毒性風險。

適用于在軌研究任務的肝臟器官芯片外觀設計為抽屜式，具備易組裝、可密封、可實現在線監測的優點。 研究人員采用手臂固定架模式構建肝臟器官芯片，實現原代肝細胞和-血管內皮細胞共培養芯片系統。 構建方法是先在自制的中空凝膠纖維外相上負載血管內皮細胞，隨后在手臂式固定架上制備中空纖維的三維支架，最后將添加了原代肝臟細胞的海藻酸鈉滴加到三維纖維支架上，滴加氯化鈣溶液，使其快速凝膠化，形成三維血管化組織結構，實現體外肝小葉樣微環境的仿生制備。

該肝器官芯片可很好的模擬肝細胞微環境，實現了部分原代肝臟細胞功能活性和特異性基因表達。 在藥物毒性實驗中，已驗證了對乙酰氨基酚的肝臟毒性，有望為空間環境下的肝臟藥理學研究提供技術支持。

秦建華等采用微蝕刻方法制備微柱陣列結構的腦器官芯片。 為了確保獲得的自組裝擬胚體形態和尺寸的一致性，優化后的微柱直徑和高度分別為1 mm 和0.8 mm，間隙50 μm。 將人源誘導多能干細胞種植于微柱結構中，并原位誘導分化形成腦類器官。 實驗結果顯示，腦類器官的多能標志物OCT4 和NANOG 在分化的第10 天減少，第30 天腦類器官中生成大量神經前體細胞，這些結果標志著多能干細胞在腦芯片中的自組裝與早期妊娠中腦發育的過程一致。

秦建華等還開發了基于人源誘導多能干細胞的胰島芯片。 芯片結構包括平行的PDMS 材料的3D 培養室，多孔膜和可灌注的流體通道層。該芯片可以持續培養胰島類器官60 天。 實驗證明：灌注系統下的形成胰島類器官與靜態培養的胰島類器官相比，具有較高的胰腺β 細胞基因表達水平，并在葡萄糖刺激下胰島素分泌水平更高。現有器官芯片比較見表2。

4 小結與展望

長期微重力已被證明會加速多種疾病發展和器官老化，高效的在軌生命科學研究，有助于保障航天員的健康。 獨特的微重力環境，也拓寬了生命科學研究的界限。 器官芯片是一種非常適合應用于空間站條件的生物研究技術平臺，可在體外模擬人體器官結構和功能，填補2D 培養系統或動物模型中無法實現的整體器官功能，同時具有集約化，高通量的特點，很好地平衡了研究效率與研究消耗。 作為一種先進技術，空間站開展器官芯片研究極具挑戰，在NCATS 資助的芯片項目中，研究團隊大多與空間服務供應商合作，使系統設計符合NASA 的飛行安全規范，同時解決設備的小型化、自動化、密封性和與空間站接口對接的系列問題。 因此，器官芯片平臺的開發是一個包含設計、驗證、整合、應用等多個環節的生物研究計劃。

表2 現有器官芯片模擬功能、方法與結構和現狀與難點比較Table 2 Comparison of functions， structures and technical difficulties ampong current organ-on-chips

隨著空間站和深空探測的發展，對在軌航天員健康保障和在軌疾病治療的需求越來越緊迫。伴隨醫學生物技術的進步，將會產生更多交叉學科熱點。 首先，人工智能技術的快速發展帶來醫學檢測，特別是影像學檢測的技術革新，在空間站的全自動無人值守實驗室中，人工智能醫學影像技術將極大的促進檢測結果識別判定，減少主觀因素干預，人工智能影像技術與器官芯片技術的結合，可以實現實時在軌預測實驗進程，并通過機器學習地面數據，加快在軌實驗的效率。 其次，高通量高維度實驗數據的產生，將對大數據分析技術提出挑戰，將下一代基因測序、多維流式細胞分析、蛋白質組學、代謝組學等技術與器官芯片的聯合運用后，數據將以千兆每秒的速度產生，應對海量級別的數據存儲并進行有效分析，是航天任務中硬件設備、軟件和通訊技術支持需要解決的重要問題。 再次，器官芯片的小型化和密集化的發展形勢，已超過航天員人為操作能力，極其依賴在軌設備的自動化水平，因此未來高效的器官芯片集成研究對空間站設備的精密制造和高可靠性的要求進一步提高。 目前，我國也已開展了肝臟芯片研究及開發適用于空間站的藥物代謝器官芯片系統。 針對上述挑戰，應著眼于未來技術發展趨勢，聯合多學科產業開發空間自動操作的器官芯片及多器官芯片聯用技術，實現跨躍式發展，為研究空間環境對航天健康的影響提供技術保障。