器官芯片及其应用.pdf

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1、第44卷分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展第4期2016年4月ChineseJournalofAnalyticalChemistry533～541DOI：10．11895／j．issn．02534820．150857器官芯片及其应用孙威陈雨晴罗国安张敏章弘扬王月荣胡坪“(上海市功能性材料化学重点实验室，华东理工大学化学与分子工程学院，上海200237)(清华大学化学系，北京10084)(华东理工大学药学院上海市新药设计重点实验室，上海200237)摘要微流控芯片是细胞体外培养的重要平台，基于该平台所发展的器官芯片技术更因其能够模拟人体器官的复杂结构及

2、功能而受到重视。本文从不同器官的角度介绍了近年来器官芯片技术在构建人体生理学模型、药物研发及毒理学研究中的应用，并对器官芯片技术的发展前景进行了展望。关键词微流控芯片；器官芯片；细胞；人体器官；综述1引言自2011年美国总统奥巴马宣布启动由NIH、FDA和国防部联合设立的人体芯片(Human-on—chip)专项以来_2]，在全世界范围内掀起了人体芯片的研究热潮。所谓人体芯片，就目前的研究水平而言，更确切地说是芯片仿真人体器官系统(Organ．on．a．chipsystems)，也称为器官芯片(Organs—on．chips)J，是一种利用微加工技术，在微流控

3、芯片上制造出能够模拟人类器官的主要功能的仿生系统J。除了具有微流控技术微型化、集成化、低消耗的特点外，器官芯片技术能够精确地控制多个系统参数，如化学浓度梯度6j、流体剪切力、以及构建细胞图形化培养j、组织-组织界面与器官-器官相互作用。。等，从而模拟人体器官的复杂结构、微环境和生理学功能。人体生理学研究是生命科学研究的重要部分，传统的二维细胞培养模式在研究人体病理生理学方面已经取得了许多成就，但是这些简单的模式难以体现人体组织器官复杂的生理功能¨，因此研究人员常使用动物实验代替体外培养模式。然而，动物实验也存在周期长、成本高等缺点，且动物模型常常不能预测人体对

4、于各种药物的响应。器官芯片概念的提出，正是为了解决动物实验的诸多不足，希望在芯片上建立更加真实的生理模型，并能成为一种仿生、高效、节能的生理学研究及药物开发工具。经过近几年来的快速发展，研究人员已经在微流控芯片上实现了众多人体器官的构建，如芯片肝、芯片肺、芯片肠、芯片肾、芯片血管、芯片心脏以及多器官芯片等。不仅如此，知名研究单位和制药公司之间的合作已使器官芯片步人了实用阶段。据报道，荷兰生物技术公司Mimetas研发了一种芯片肾，并与几家制药公司达成了应用合作协议将其用于药物筛选。另外，强生公司也计划利用哈佛大学wyss生物工程研究所隶属Emulate公司的人

5、体血栓仿真芯片系统进行药物试验，并利用肝芯片测试药物的肝毒性H。本文综述了近年来器官芯片的研究进展，并对其发展趋势进行了展望。2器官芯片的设计理念细胞的生长需通过各种复杂的外环境与内环境的协同作用共同完成。因此在建立体外生理学模型时需要考虑外界环境参数的真实性。将微流控技术与微加工、细胞生物学相结合而产生的器官芯片技术在对外界环境参数的控制中具有其他技术难以比拟的能力，通过产生流体剪切力、机械应力、生化浓度梯度等理化刺激，细胞能够响应这些刺激而发生自组装，展现更加真实的生理学功能，因而在体外生理学模型建立中具有特殊的优势。(1)产生流体剪切力流体的流动会产生剪

6、切力，人体内每时每刻都存在着流体的流动，而传统静2015—10-26收稿；2015—12-23接受本文系国家“重大新药创制”科技重大专项(No．2013ZX09507005)资助}E—mail：huping@ecust．edu．ca534分析化学第44卷态培养却无法给与系统剪切力。微流控技术能够通过微泵灌流实现细胞的动态培养，这有利于稳定地给予细胞营养物质并及时将废物排出，且相比于静态培养，细胞所处的动态环境与体内更为相似。此外，灌流培养产生的流体剪切力对于人体的部分生理学功能如肾的重吸收而言必不可少。(2)提供动态的机械应力人体内存在着与生命活动相关的压力，

7、如血压、肺部压力、骨骼压力等。这种稳态压力对于维持机体的生理学功能如组织形成、细胞的分化甚至是肿瘤的形成具有重要的作用¨。微流控技术能够利用弹性多孔膜制造周期性的机械应力，例如将细胞培养于多孑L膜上，利用外界作用力使多孔膜发生形变从而模拟部分生理功能，如肺的呼吸、肠道蠕动以及心脏收缩等。(3)形成浓度梯度由于在微尺度下，流体主要以层流形式运动，这有利于在通道中产生各种类型的浓度梯度。以浓度梯度作为驱动的各种生化信号对于许多生理过程如细胞迁移、分化、免疫反应以及癌症的转移等起着关键的作用。微流控技术能够通过改变流速与通道尺寸，并利用微阀、微泵技术或独特的通道设计

8、等实现稳定的、三维的生化浓度梯度，从而