類器官芯片在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

王欣晨 ，陳友國

（1.蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院，江蘇 蘇州 215000；2.浙江省立同德醫(yī)院，浙江 杭州 310000 ）

在過去的幾十年中，人類通過生物技術(shù)不斷創(chuàng)造出像治療性的單克隆抗體，腺相關(guān)病毒基因載體，小干擾RNA 等生物療法，這些新型的治療方法正在逐步改變?nèi)祟悓?duì)疾病治療的傳統(tǒng)認(rèn)知。對(duì)于新型治療有效性的檢驗(yàn)則需要更加可靠的臨床前模型。目前，臨床前模型主要為細(xì)胞及動(dòng)物模型，尤其是基因工程小鼠，在細(xì)胞及動(dòng)物模型上先確定藥物的潛在靶標(biāo)位置。然而結(jié)果卻不盡如人意，盡管在實(shí)驗(yàn)中疾病的細(xì)胞及動(dòng)物模型可能會(huì)出現(xiàn)與人類相似的表型，但是人類和動(dòng)物的潛在分子機(jī)制大相徑庭，在這些模型中出現(xiàn)的潛在靶向治療位點(diǎn)最后往往缺乏臨床相關(guān)性[1-2]。在美國，各大制藥與生物技術(shù)公司每年花費(fèi)數(shù)十億美元去研究某一藥物以獲得美國食品和藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)上市。但是，許多研究表明，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能很好的預(yù)測人類使用后的結(jié)果，很多藥物和疫苗在臨床前的小鼠及非人類靈長類動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中都獲得了較好的結(jié)果，但是進(jìn)入臨床后卻未顯示出預(yù)期的效果。例如結(jié)核分枝桿菌MV85a疫苗、HIV-1DNA/rAdr5疫苗和丙肝疫苗等[3]。還有一些藥物或生物療法可能對(duì)人類有效，但是在動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中被證明無效或是有一定危險(xiǎn)性而被剔除[4]。那么構(gòu)建能有效模擬人類生物學(xué)特性，對(duì)疾病及藥物均有良好預(yù)測能力的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停越鉀Q現(xiàn)有的生物學(xué)及醫(yī)學(xué)難題迫在眉睫。

類器官是在體外培養(yǎng)的人多能干細(xì)胞（hPSCs）或來源于健康個(gè)體或患者成體干細(xì)胞（AsSCs）產(chǎn)生的三維（3D）微型結(jié)構(gòu)，可以再現(xiàn)人體器官的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，功能及組織特異性。由于類器官具有原始器官的遺傳及生物學(xué)特性，在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)研究和臨床前藥物測試中具有巨大的應(yīng)用前景，目前已被應(yīng)用于個(gè)性化、再生醫(yī)學(xué)、基因修復(fù)及器官移植等治療［5］。以往類器官的培養(yǎng)需要不同的生長因子的序貫添加，這種培養(yǎng)方法雖然簡單易行，但是該培養(yǎng)方法無法做到精準(zhǔn)調(diào)控類器官生長及其微環(huán)境變化［6-7］。使得類器官無法更好地模擬體外人體器官生物學(xué)功能，從而限制其在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的使用及發(fā)展。為了解決類器官培養(yǎng)技術(shù)上的局限性，從事干細(xì)胞及生物發(fā)育學(xué)的研究人員與工程師和物理學(xué)家等科學(xué)家聯(lián)合構(gòu)建有效的類器官體外模型，一種更新穎的類器官芯片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［8］。

2016 年，世界經(jīng)濟(jì)論壇就以將類器官芯片評(píng)為十大新興技術(shù)。組織工程及微加工技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了類器官芯片技術(shù)的發(fā)展，這些新興的技術(shù)更加注重培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)的微環(huán)境及細(xì)胞幾何排列，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)從傳統(tǒng)的2D 單一培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)?D 共同培養(yǎng)模式。從而能夠獲得更加穩(wěn)定的細(xì)胞功能，觀察細(xì)胞與細(xì)胞之間化學(xué)及電信號(hào)交流等生物學(xué)過程［9-12］。此外，微系統(tǒng)技術(shù)推動(dòng)了類器官芯片微流控及微型化驅(qū)動(dòng)器及傳感器的發(fā)展，是一個(gè)具有里程碑意義的重要技術(shù)，該技術(shù)是基于集成電路原理而設(shè)計(jì)，并利用軟光刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)納米及微米級(jí)的類器官芯片［13］。其次，細(xì)胞系是類器官芯片實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值的基礎(chǔ)部分，怎樣使類器官芯片具有個(gè)性化患者特征，目前可利用多能誘導(dǎo)干細(xì)胞技術(shù)（iPSC）將不同患者細(xì)胞整合到類器官芯片中，構(gòu)建不同種類類器官芯片，研究疾病之間表型的差異及對(duì)藥物的特異性反應(yīng)等［14-16］。除了上述各大技術(shù)日新月異的進(jìn)步，材料學(xué)的快速發(fā)展也為類器官芯片的構(gòu)建創(chuàng)造了條件。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）目前廣泛應(yīng)用于利用軟光刻技術(shù)構(gòu)建的類器官芯片，PDMS 制作簡單，成模性、彈性及滲透性好等優(yōu)點(diǎn)［17］。類器官芯片是依據(jù)集成電路的原理并利用計(jì)算機(jī)微芯片微加工制作技術(shù)，根據(jù)靶器官最小生物學(xué)功能單元，對(duì)靶器官功能單元進(jìn)行檢測，以確定這些功能單元的不同細(xì)胞組成類型及特異性的生化及物理微環(huán)境，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建體外組織細(xì)胞解剖微模型的體外培養(yǎng)技術(shù)，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)細(xì)胞及動(dòng)物模型，進(jìn)行機(jī)體不同生理過程模型及疾病病理過程模型的構(gòu)建，藥代和藥效動(dòng)力學(xué)及藥物敏感，再生醫(yī)學(xué)及器官移植等機(jī)制研究。

本文將重點(diǎn)介紹類器官芯片培養(yǎng)材料和技術(shù)上的更新，培養(yǎng)時(shí)所遇到的問題及臨床醫(yī)學(xué)研究上應(yīng)用進(jìn)展等內(nèi)容。

1 類器官和類器官芯片

類器官和類器官芯片是兩種完全不同但又互補(bǔ)的技術(shù)，其共同目標(biāo)就是構(gòu)建有效的體外靶器官模型，以實(shí)現(xiàn)各種生物學(xué)及醫(yī)學(xué)用途。類器官是利用組織干細(xì)胞的自身生長發(fā)育程序，在體外進(jìn)行人工培養(yǎng)。傳統(tǒng)的類器官培養(yǎng)方法有深層液體培養(yǎng)法、氣液共培養(yǎng)法，以深層液體培養(yǎng)法舉例，如：腸道類器官的建立可以以純化的成人小腸隱窩或是分選純化的LGR5+腸道干細(xì)胞（ISCs）為細(xì)胞系，并在生長因子的誘導(dǎo)下模擬干細(xì)胞龕形成。該培養(yǎng)條件包含有Wnt 通路，表皮生長因子（EGF），骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）抑制劑Noggin 等，使得ISCs 能夠長期自我更新并分化為靶細(xì)胞譜系，最終形成高度極化的3D 上皮結(jié)構(gòu)，腸道隱窩-絨毛室［18］。人體器官在生長發(fā)育，分化發(fā)展過程中保持著高度可重復(fù)性。但是，類器官是在體外培養(yǎng)的靶細(xì)胞3D 微結(jié)構(gòu)，其無法實(shí)現(xiàn)高度可重復(fù)性。類器官在生長發(fā)育過程中，會(huì)出現(xiàn)大小、組織結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能及基因表達(dá)的巨大差異。類器官批次間的差異，會(huì)限制其在疾病模型應(yīng)用，藥物篩選及器官移植等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化應(yīng)用［8］。類器官僅依靠被動(dòng)擴(kuò)散來接受營養(yǎng)物質(zhì)及氧氣，并排出代謝產(chǎn)物，但是當(dāng)類器官代謝加快時(shí)，這種被動(dòng)擴(kuò)散方式就無法支持類器官的生長發(fā)育［19］。與之相比，類器官芯片是利用現(xiàn)有人體器官生物解剖微結(jié)構(gòu)，來構(gòu)建組織細(xì)胞微結(jié)構(gòu)及微環(huán)境，并精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞生長及微環(huán)境變化。盡可能去還原解剖微結(jié)構(gòu)，模擬正常組織器官能量攝取及代謝產(chǎn)物的排出模式，使得細(xì)胞及組織能夠正常生長發(fā)育，完成原有生物學(xué)功能。例如肺的最小解剖功能單元是肺泡，肺泡-毛細(xì)血管單元即氣-血屏障是由Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞、基膜、薄層結(jié)締組織、毛細(xì)血管基膜及內(nèi)皮細(xì)胞組成。肺泡壁是由Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞（扁平細(xì)胞，其基膜緊貼毛細(xì)血管），Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞（分泌上皮，可以分泌肺泡表面活性物質(zhì)），隔細(xì)胞（位于肺泡間隔中）和肺泡隔（是相鄰兩個(gè)肺泡間的結(jié)構(gòu)，有結(jié)締組織和豐富的毛細(xì)血管組成）。值得注意的是，人在呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)，肺泡-毛細(xì)血管單元會(huì)在呼吸誘導(dǎo)下會(huì)被周期性機(jī)械性牽拉，這是在制作類器官芯片時(shí)應(yīng)注意的特異性微環(huán)境。該細(xì)胞培養(yǎng)裝置應(yīng)模擬氣-血屏障，該裝置由多個(gè)獨(dú)立微腔室構(gòu)成，微腔室被分為上下兩層的雙通道，中間有一層柔性微孔膜結(jié)構(gòu)分隔。上層可供氣體自由流通；中間層的微孔膜可供肺泡上皮細(xì)胞及肺微血管上皮細(xì)胞在膜兩側(cè)共培養(yǎng)，模擬氣體交換屏障；下層可供液體流通，模擬血流系統(tǒng)。為了更好地模擬呼吸過程中肺泡的機(jī)械性牽拉作用，該裝置兩側(cè)設(shè)置了真空腔，以模擬呼吸過程中的肺泡-毛細(xì)血管單元受到的機(jī)械性牽拉作用。最后根據(jù)此設(shè)計(jì)，利用軟光刻等微加工技術(shù)來完成類器官芯片的制作［8,20-21］。

2 類器官芯片的材料分類及技術(shù)上的更新

2.1 類器官芯片制作材料分類

根據(jù)不同組織細(xì)胞的特性，類器官芯片的制作可能需要依賴各種不同的材料。根據(jù)材料的不同，可以將材料大致分為合成材料，合成材料又分為彈性合成材料、熱塑性合成材料；雜化材料；天然材料；無機(jī)材料等。下面列舉了一些常用的材料特性［22］。見表1、表2。

表1 常見彈性合成材料的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用模型

表2 常見熱塑性合成材料的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用模型

雜化材料是同時(shí)具有天然及合成材料優(yōu)勢的新型材料，對(duì)細(xì)胞有更好的親和性，其降解產(chǎn)物屬于天然成分。雜化材料的可控性及可降解性為類器官芯片提供了更好的材料［22］。天然材料主要包括膠原蛋白［42］、明膠［43］、纖維蛋白［44］、透明質(zhì)酸［45］、甲殼素和殼聚糖［46-47］、藻酸鹽［48］，這些天然材料來自人體組織，生物兼容性較好，能為干細(xì)胞的生長發(fā)育、增殖、遷移提供更加穩(wěn)定的環(huán)境。無機(jī)材料主要包括玻璃、硅和紙等材料。

2.2 類器官芯片制作的技術(shù)更新

2.2.1 生物仿生膜工程 類器官芯片是一種能夠模擬器官功能的仿生系統(tǒng)，在類器官芯片各個(gè)組成部分中，生物仿生膜是一種可控的模仿生物系統(tǒng)的重要組成部分。生物仿生膜可以模擬細(xì)胞外基質(zhì)，并用于微流控仿生生物膜工程［49］。在體內(nèi)，生物膜參與各種生理過程，如細(xì)胞間電化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)，物質(zhì)交換及運(yùn)輸?shù)取Ｉ锓律び欣谖覀兛赡芨忧逦厝チ私饧?xì)胞膜的生物學(xué)功能，為疾病的治理提供有效方法［50］。例如，生物仿生膜可利用粒子被動(dòng)擴(kuò)散原理來模擬細(xì)胞膜功能，來評(píng)估經(jīng)皮給藥的藥物擴(kuò)散模型［51］。

2.2.2 生物打印技術(shù) 目前，雖然已有多種先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備用來制造類器官芯片，但是在制作過程中仍出現(xiàn)很多問題。現(xiàn)有的主要技術(shù)難題是類器官芯片中細(xì)胞導(dǎo)入量低。最初，類器官芯片的制備及注入細(xì)胞的過程需要人工手動(dòng)操作。研究人員人工將細(xì)胞懸液或是負(fù)載細(xì)胞的水凝膠吹打入所需要培養(yǎng)的芯片部位，這個(gè)操作過程無法做到標(biāo)準(zhǔn)化。此外，類器官芯片中的細(xì)胞數(shù)量應(yīng)是真正靶器官成比例的縮減，正常比例的存活細(xì)胞才能體現(xiàn)靶器官的生理功能，對(duì)各種刺激的反應(yīng)才具有真實(shí)性及準(zhǔn)確性［52-53］。細(xì)胞及組織的生物3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸使上述生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)化且自動(dòng)化。生物打印技術(shù)是將先進(jìn)的3D 打印技術(shù)與生物材料相結(jié)合，從而構(gòu)建復(fù)雜且精密的類器官芯片［54］。生物打印技術(shù)從1984 年開始迅速發(fā)展［55］。目前生物打印技術(shù)主要分為噴嘴方法和基于光學(xué)設(shè)備的光輔助方法。后者是一種新興的高分辨率生物打印技術(shù)［56］。生物3D 打印機(jī)可安裝于無菌環(huán)境中，有效避免了傳統(tǒng)人工操作過程中可能的污染［57］。因?yàn)樯?D 打印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化及自動(dòng)化，可以有效節(jié)約構(gòu)建類器官芯片的時(shí)間成本［58］。普通移液器接種細(xì)胞時(shí)，需要24 h才能使細(xì)胞固定，而生物3D 打印技術(shù)可以快速固定細(xì)胞，允許直接引入流動(dòng)液體。生物3D 打印技術(shù)具有高通量，可重復(fù)性特點(diǎn)，其過程標(biāo)準(zhǔn)化且自動(dòng)化，可實(shí)現(xiàn)類器官芯片批量生產(chǎn)［54］。

2.2.3 微流控技術(shù) 類器官芯片是一種能夠模擬人體內(nèi)組織細(xì)胞微環(huán)境的微流控體外細(xì)胞培養(yǎng)裝置［59］。類器官芯片主體由流體電路板構(gòu)成，流體電路板是通過開放標(biāo)準(zhǔn)接口來微流控制多種組件，如傳感器等［59］。微流控技術(shù)就是一種模擬人體循環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)。循環(huán)系統(tǒng)是人體完成各種生理及病理過程不可缺少的部分，其包含血液、淋巴液、尿液等，承載著氣體，營養(yǎng)物質(zhì)及代謝產(chǎn)物等的運(yùn)輸及交換，并將人體各大器官緊密連接，所以大部分的類器官芯片中都有一個(gè)主動(dòng)灌注的管腔系統(tǒng)［60］。微流控控制系統(tǒng)保證了類器官芯片有恒定及脈沖式循環(huán)系統(tǒng)，更好地模擬人體內(nèi)組織細(xì)胞微環(huán)境。

3 類器官芯片中組織細(xì)胞培養(yǎng)的問題

3.1 微環(huán)境中生物機(jī)械力作用

人體從胚胎發(fā)育起會(huì)經(jīng)歷各種類型的生物機(jī)械力，如血液的流體剪切力，單細(xì)胞的牽拉力和大細(xì)胞群（心臟收縮、呼吸運(yùn)動(dòng)等）的協(xié)調(diào)機(jī)械活動(dòng)產(chǎn)生的生物機(jī)械力［61］。越來越多的研究表明，如果在組織細(xì)胞培養(yǎng)中缺乏這些生物機(jī)械力的作用會(huì)影響類器官芯片中的組織細(xì)胞正常生理功能的形成［8］。目前微工程技術(shù)已經(jīng)可以解決這一問題，并可以模擬應(yīng)用類似的生物機(jī)械力。例如LEE 等［62］制造了一種胃模型類器官芯片，該裝置是將人多能誘導(dǎo)干細(xì)胞（PSCs）培養(yǎng)在管腔中，管腔兩側(cè)與一對(duì)微電流套管連接。管腔中有液體流動(dòng)，模擬胃內(nèi)容物，管腔兩側(cè)的微電流予以管腔刺激，模擬胃的節(jié)律性舒張運(yùn)動(dòng)。

3.2 微環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)

培養(yǎng)組織細(xì)胞時(shí)需要運(yùn)送氧氣及營養(yǎng)物質(zhì)并排出代謝產(chǎn)物，但是隨著組織細(xì)胞的不斷增殖及分化，氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)可能無法滿足組織細(xì)胞的需求［19］。這是類器官芯片壽命縮短，無法長期培養(yǎng)的原因。人類的胚胎發(fā)育過程中，需要大量的脈管系統(tǒng)參與輔助完成，依據(jù)這一思想原理，我們?cè)谂囵B(yǎng)類器官芯片時(shí)也應(yīng)模擬大量血流的灌注［63］。例如SHIRURE 等［64］制造了一種腫瘤模型類器官芯片，一個(gè)腫瘤腔室與三個(gè)中央腔室相聯(lián)通并通過微流控來控制血流灌注，腫瘤腔中的腫瘤細(xì)胞來自乳腺癌患者，中央腔室中的血管是由血管內(nèi)皮細(xì)胞與成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)而形成。雖然這種血管形成方式與胚胎中血管形成方式不同，但是微流控平臺(tái)可以模擬腫瘤周圍的血管生理灌注，使中央腔中的血管長入腫瘤腔中，最終完成腫瘤血管化。通過這種培養(yǎng)模式，腫瘤細(xì)胞可以維持長達(dá)22 d 之久。

3.3 微環(huán)境中化學(xué)信號(hào)

在培養(yǎng)類器官時(shí)，需要以特定的時(shí)間順序給予合適濃度的形態(tài)生成素刺激干細(xì)胞，以激活下游的細(xì)胞信號(hào)通路，從而使干細(xì)胞生長分化為目的靶器官［65］。在傳統(tǒng)類器官培養(yǎng)過程中，以人工方式在特定的時(shí)間加入外源性形態(tài)生成素，外源性形態(tài)生成素與細(xì)胞自分泌的細(xì)胞因子就可在類器官局部微環(huán)境中形成化學(xué)梯度濃度，以誘導(dǎo)細(xì)胞特定的生長分化。形態(tài)生成素是以濃度依賴的方式來影響組織細(xì)胞生長發(fā)育的，組織細(xì)胞暴露在不同梯度濃度的信號(hào)水平，會(huì)產(chǎn)生出不同的轉(zhuǎn)錄水平及細(xì)胞結(jié)局等的變化。但是這種人工模擬化學(xué)梯度濃度是不穩(wěn)定的，且不可控的，往往不能很好地模擬人體內(nèi)器官生長發(fā)育所需要的局部微環(huán)境化學(xué)信號(hào)變化［66］。目前研究人員正在利用微工程技術(shù)來嘗試解決這以問題，例如基于微流控系統(tǒng)構(gòu)建神經(jīng)管體外發(fā)育模型，這個(gè)模型包括一個(gè)中央控制室，兩側(cè)各有一個(gè)微通道，該模型中的細(xì)胞系為胚胎干細(xì)胞（ESC），將其培養(yǎng)于中央控制室中。兩側(cè)微通道中分別循環(huán)流動(dòng)混有不同比例濃度的sonic hedgehog（Shh）和bone morphogenetic protein（BMP）細(xì)胞因子，在中央控制室腔外形成濃度梯度差，以模擬神經(jīng)管背腹軸不同生長分化趨勢［67］。

3.4 多器官系統(tǒng)共培養(yǎng)

人體內(nèi)各種復(fù)雜的生理及病理過程往往需要多器官系統(tǒng)共同合作完成。為了更好地模擬人體內(nèi)真實(shí)的器官間互作時(shí)的過程，研究人員利用微工程技術(shù)平臺(tái)在體外構(gòu)建多器官共培養(yǎng)芯片，模擬體內(nèi)多器官相互作用［68］。例如：JIN 等［69］利用微流控矩陣來模擬肝臟和胃腸道多器官共培養(yǎng)模型。不同的組織分別培養(yǎng)在不同腔室，腔室之間利用搖床誘導(dǎo)介質(zhì)來模擬不同臟器系統(tǒng)之間的物質(zhì)交流。該模型被用于探究體內(nèi)肝腸互作調(diào)節(jié)膽汁酸穩(wěn)態(tài)機(jī)制。當(dāng)對(duì)該模型予以外源性膽汁酸刺激時(shí)，腸道類器官通過旁分泌因子作于肝臟類器官，肝臟類器官中膽汁酸合成酶表達(dá)減少，該模型證明了對(duì)于體內(nèi)某一信號(hào)變化，可能需要多器官互作，只對(duì)某一器官單獨(dú)造模不能很好的模擬體內(nèi)生理及病理過程。

4 類器官芯片在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

4.1 肝臟類器官芯片

目前臨床上已構(gòu)建了多種肝臟類器官芯片，用于肝炎、肝毒性、肝臟藥物代謝等機(jī)制研究。中國是乙型肝炎感染大國，目前利用乙型肝炎患者來源肝細(xì)胞制作的肝臟類器官芯片已經(jīng)成功復(fù)刻了乙型肝炎病毒在體內(nèi)的生命周期，主要包括乙型肝炎病毒的復(fù)制和乙型肝炎病毒共價(jià)環(huán)狀DNA 的維持等。此外，該芯片模擬自然免疫反應(yīng)與乙型肝炎患者中自然免疫反應(yīng)相似［70］。肝臟類器官芯片的另一用途是模擬人類的肝毒性反應(yīng)，由微工程多空屏障技術(shù)（模擬內(nèi)皮細(xì)胞通透性屏障）分離出的原代人肝細(xì)胞構(gòu)建的類器官芯片較好的模擬出肝竇狀隙生物學(xué)功能，可以進(jìn)行大分子物質(zhì)運(yùn)輸，重現(xiàn)了抗炎藥雙氯芬酸的代謝肝毒性［71］。臨床上還可利用不同來源的供體肝細(xì)胞構(gòu)建多個(gè)類器官芯片研究不同人種對(duì)肝臟藥物代謝的影響。分別對(duì)六種不同藥物進(jìn)行損耗普分析發(fā)現(xiàn)，不同供體之間基因表達(dá)水平，藥物代謝及肝細(xì)胞生物學(xué)功能均存在較大差異，且芯片預(yù)測的藥物清除率與實(shí)際觀察的藥物清除率有良好的相關(guān)性［72］。

4.2 心臟類器官芯片

目前臨床上應(yīng)用的心臟類器官芯片模型大致分為兩種。一種是在單通道微流控裝置中培養(yǎng)多能誘導(dǎo)干細(xì)胞來源的心機(jī)細(xì)胞，其細(xì)胞外基質(zhì)上連接了多電極陣列，用于實(shí)時(shí)檢測組織水平的電生理反應(yīng)，該模型已被用于心臟毒性藥物的研究，如特非那頂和其無毒性代謝產(chǎn)物非索非那定之間的差異［73］。另一種心臟類器官芯片則是利用微加工聯(lián)合3D 打印技術(shù)構(gòu)建多能誘導(dǎo)干細(xì)胞來源的心機(jī)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的微界面，重現(xiàn)臨床上抗癌藥物阿霉素對(duì)心臟心機(jī)的毒性作用［74］。

4.3 腸道類器官芯片

臨床上，已構(gòu)建了多種大小腸模型用于各種腸道疾病、藥物代謝及毒性的研究。腸道模型構(gòu)建應(yīng)注意生物機(jī)械力：一是管腔內(nèi)動(dòng)態(tài)流動(dòng)流體，這對(duì)小腸的絨毛形成及大腸中杯狀細(xì)胞及雙側(cè)黏液的形成均起到至關(guān)重要的作；另一種是類似于腸道的蠕動(dòng)機(jī)械牽拉力，這樣才能更好地模擬腸道微環(huán)境變化，該模型類似于上述的肺部類器官芯片模型，分為上下兩層的雙通道，中間層培養(yǎng)上皮細(xì)胞［4］。近期，研究人員利用腸道類器官芯片模擬了一種在落后國家流行的兒童腸道炎癥疾病，即環(huán)境腸道功能障礙（EED）。該疾病最主要的病理改變?yōu)槟c道絨毛變鈍及腸道屏障受損，導(dǎo)致對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)吸收受阻，如：脂肪酸攝取障礙和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)受損。在構(gòu)建該腸道疾病模型時(shí)，研究人員利用EED 患者來源的腸上皮細(xì)胞，并將其培養(yǎng)于煙酰胺和色氨酸缺乏的微環(huán)境中。該模型較好地重現(xiàn)了EED 患者的疾病狀態(tài)及轉(zhuǎn)錄水平的變化［75］。在腸道類器官芯片中灌注外周血單核細(xì)胞共培養(yǎng)模型，可用于檢測目前尚處于臨床研發(fā)階段的靶向人癌胚抗原的T 細(xì)胞雙特異性抗體的藥物毒性。既往的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o法進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估［76］。

4.4 胎盤類器官芯片

由于孕婦是較為特殊的群體，臨床醫(yī)師在選擇治療性藥物時(shí)會(huì)格外謹(jǐn)慎。如何篩選出安全有效的藥物就要構(gòu)建能夠有效模擬人體內(nèi)胎盤屏障的模型。胎盤類器官芯片利用滋養(yǎng)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)模擬妊娠期胎盤屏障，主要用于預(yù)測妊娠期用藥的安全性，篩選藥物以了解其穿透胎盤的能力。以妊娠期糖尿病格列本脲為模型藥物，該類器官芯片可以重現(xiàn)外排轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)的胎盤屏障主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)功能，從而避免胎兒暴露于母體藥物環(huán)境中［77］。

5 總結(jié)

目前藥物研發(fā)是類器官芯片最具前景的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用。類器官芯片融合了現(xiàn)代微工程，微系統(tǒng)及微流控等先進(jìn)技術(shù)和靶器官精準(zhǔn)解剖微結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的細(xì)胞動(dòng)物模型更好地模擬了人體內(nèi)靶器官生物學(xué)功能，又彌補(bǔ)了類器官在造模時(shí)的不穩(wěn)定因素。類器官芯片也可為患者提供個(gè)性化治療，并可模擬構(gòu)建人類特異性疾病模型［78-79］。此外，由于類器官具有再生潛能，可有望應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但是類器官的移植成功率和安全性卻使得其進(jìn)行醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化變?yōu)殡y題。類器官芯片可提供高通量分析平臺(tái)，為類器官在體外培養(yǎng)創(chuàng)造條件［19］。類器官芯片作為一種新興的融合技術(shù)擁有無限未來，但其也面臨著諸多的挑戰(zhàn)。一是PSCs可用于構(gòu)建類器官芯片的細(xì)胞系，該細(xì)胞系簡單易得，且構(gòu)建的類器官芯片性能穩(wěn)定，可進(jìn)行高通量檢測。但是人多能誘導(dǎo)干細(xì)胞在培養(yǎng)過程中不能完全分化為成熟組織表型［80］。另一個(gè)問題是藥物有效吸收率，PDMS 是多用于構(gòu)建類器官芯片的生物材料，但是PDMS 具有高疏水性，所以僅具有高疏水性的藥物會(huì)被顯著吸收［81］。

由于類器官芯片建模具有可重復(fù)性、精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，可進(jìn)行高通量平臺(tái)檢測，且結(jié)果數(shù)據(jù)穩(wěn)定，其未來可能會(huì)改變傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究方式，替代細(xì)胞及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建更加理想的生長發(fā)育及各種疾病模型，為藥物篩選提供臨床前模型及器官移植提供可靠供體等。