小小器官芯片，大有可为
Cédric Bouzigue
巴黎综合理工学院生物学专业讲师
器官芯片由塑料或玻璃构成，表面上刻了无数的“小通道”和“小房间”，能在微观尺度上再现人体器官和组织的功能、物理化学环境、生物过程等。
在芯片的通道和腔室中培育人类细胞，既能具备真实器官的功能，又便于开展活体内无法实现的观察测量。
器官芯片融合了微流控、生物工程、生物细胞等多学科，走在创新的前沿。
器官芯片研发成果将有广泛应用：个性化护理、分析复杂生物过程、观察细胞发出的生物信号等。
在微流控技术、细胞生物学、生物工程的最新研究成果加持下，科学家们已成功研发出了“器官芯片”，将复杂的人体器官机能在多米诺骨牌大小的芯片中再现。
器官芯片由塑料或玻璃构成，表面上刻了无数的“小通道”和“小房间”，各类细胞在其中生长、相互作用，在微观尺度上再现人体器官和组织的功能、物理化学环境和生理过程。芯片的特殊架构，使其能模拟器官内的血压、细胞相互作用，以及物质交换组织（肺、肠、肾组织等）中液体循环速度等因素。
输入了人类细胞的器官芯片可以充当“实验田”，测试机械应力、药物等因素对大型器官的直接影响。
01
事半功倍的“微型管道工程”
巴黎综合理工大学生物学讲师、光学和生物科学实验室研究员Cédric Bouzigue正在开发用于治疗严重肾脏疾病的器官芯片。他笑称：“我的工作就是进行微米级别的管道工程。”他设计的微流体系统“拥有与真实器官相似的三维几何结构，其中的生物信号和物质循环可以人为控制。”当前他正在开发芯片上的肾脏模型，在体外再现肾脏过滤血液，形成尿液的过程。
Bouzigue认为，器官芯片在理论上属于“理想设备”，因为它既具备真实器官的功能，又便于开展活体内无法实现的观察测量。同一份器官芯片上可以同时进行多项定量分析实验，同时检测多个细胞发出的信号物质、多种活性物质的药效，更方便地调整实验条件，可谓是“事半功倍”。事实上，“事半功倍”也是Bouzigue的著作《惊人的化学（Étonnante chimie）》（CNRS出版社，2021年）当中的一个章节名。
02
辅助新药临床试验
器官芯片仍是一项发展中的技术，尚不能代替生物实验室里常规使用的动物模型和微生物培养。Bouzigues 指出：“器官芯片的复杂程度仍然较低，不足以在实验中完全代替动物模型。”
可即使是测试新药的功效和毒性的临床前动物实验，也无法全方面模拟人类身体组织的功能。美国食品和药物管理局在最近的一份报告中指出，通过动物试验的药物有十分之九会在人体临床试验阶段失败。目前还没有更安全的新药测试流程，但器官芯片可以加速和促进新疗法从实验室到临床的转化。Bouzigues 说：“可以先在芯片上验证某些假设，然后再在活体模型上进行实验。”
03
罕见肾脏炎症研究
巴黎综合理工学院光学与生物科学实验室正在与巴黎心血管研究中心合作，联合开发测试微芯片上的肾小球模型。肾小球是肾脏的过滤单元。“肾小球肾炎和节段性或局灶性玻璃样变是罕见的肾脏炎症，不进行肾脏移植会致命。”
图片来源：PI France
注：左上，肾小球示意图，粉色部分为毛细血管，褐色部分为尿液生成处，红色和蓝色为过滤膜的组成细胞（红色：肾小球内皮细胞，蓝色：足细胞）。右上，器官芯片上单个微系统示意图，含有两个腔室，由膜（灰色）分隔；三种细胞共同在芯片上形成“肾小球”。左下，器官芯片微系统实物图（图源：M. Mauviel LOB）。右下，三种类型的细胞（从下到上：壁细胞、足细胞、血管肾小球内皮细胞）的共聚焦荧光显微成像，标记有特定的分化蛋白（绿色、红色和蓝色）。
为此，研究人员设计了一种芯片上的肾小球系统，再现病理发生发展的关键机制。“芯片系统的每个基本单元由两个腔室组成——尿液腔室和血管腔室——由肾小球壁细胞构成的膜隔开。”通过光学成像设备，研究人员可以在分子和细胞水平上观察芯片中发生的变化，特别是当注入致病的活性分子时。
04
个性化医疗
器官芯片蕴含着诸多可能性。有朝一日，也许能利用器官芯片精准分析每个患者的病理和基因特征，从而为其量身定制医疗设备，还能为每个患者单独测试药物反应，从而提供真正个性化的治疗。
世界各地都在开展器官芯片研究，包括血管芯片（用于研究高血压）、肠芯片、肾芯片、肺芯片等。芯片一般用高聚物制成，例如聚二甲基硅氧烷。在这种材料上刻通道，可以达到很高的精度，生物相容性也良好，但耐久性欠佳，所以暂时不适合研究发展缓慢的疾病。
器官芯片的发展仍在起步阶段，面临多重挑战，但这一技术正逐渐被基础研究和临床试验机构接纳，有望显著加深学界对复杂生物过程的理解。
作者
Samuel Belaud
编辑
Meister Xia
