评述利用器官芯片,重现人类疾病特征

器官芯片：晶莹剔透的大约计算机记忆棒大小的柔性聚合物结构，含有利用计算机微芯片制造技术制造出的中空通道。这些通道中并行排列着活的细胞和组织，从而模拟器官水平的病理学特征。图片来自Wyss Institute at Harvard University。

        2016年3月14日/生物谷BIOON/--多年来，器官芯片（organs-on-chips）一直保持着“经典的”设计，但是由于近期的进展，它们的设计复杂性增加了。这类芯片---微流体设备，含有中空通道，活的人类细胞排列在这些通道中---如今包括肺芯片（lung-on-a-chip）、肠道芯片（intestine-on-a-chip）和血脑屏障芯片（blood-brain-barrier-on-a-chip）等。每种芯片基本上能够重建两种活的人类组织之间的功能性界面，其中一种组织与另一种组织（即血管细胞）并排分布着，含有提供用于维持生命的营养物质的流动液体，即这整个芯片模拟人体内活器官的物理环境（如肺部中的呼吸运动，肠道中的蠕动）。

        尽管一些人提出这些芯片过于简化人体生物学组织，但是通过逆向设计器官结构，这些芯片能够重建复杂的器官功能，从而有助人们深刻认识哪些是生命运转所必需的，而哪些不是的。在一篇发表在2016年3月10日那期Cell期刊上标题为“Reverse Engineering Human Pathophysiology with Organs-on-Chips”的评论性论文中，美国哈佛大学生物怀斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）主任Donald Ingber描述了器官芯片如何提供一种强大的方法来分析器官功能和人类病理生理学特征，除此之外，还提供一种潜在的方法来取代动物测试和加快个人化医疗开发。

        Ingber说，“我们并不试图重建人器官。我们试图开发针对人活细胞的培养环境，并且设计痕迹尽可能的少，这将诱导这些细胞重建器官水平的结构和功能，从而模拟我们在人体中观察到的生理学特征。”

        Ingber将构建人类器官模型视为一种系统层面的挑战。尽管近期的类器官（organoids）进展提供新机会在体外观察和操纵人组织发育，但是科学家们能够利用器官芯片研究多种不同类型的细胞和组织---包括上皮组织、血管内皮组织、免疫细胞以及共生细菌和致病菌---如何相互沟通从而调控整个有机体内的病理生理学过程。他说，“生物体内的沟通就是信息传递。无论它是否在分子、细胞、组织、器官或整个身体水平上，让生命有意义的事情是这些信息在多种尺度下和多种复杂水平上进行整合。”

        比如，2010年Ingber与生物医学工程师Dongeun Huh一起开发出的肺芯片开始于一种双通道设备中两种紧密并列的组织---一种为一层肺泡细胞，另一种为血管细胞：在这种设备中，这些肺泡细胞被空气覆盖着，含有人白细胞的液体持续地在血管细胞上流动，这就非常类似于血液在我们身体的血管中流动。这种肺芯片让组织暴露在模拟呼吸运动的周期性伸展和放松运动之中。利用这些肺芯片，研究人员能够测量细菌性感染或空中悬浮微粒如何诱导损伤和炎症，以及某些药物如何引起体液进入气道从而导致肺水肿。最近，科学家们已证实利用从慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）病人体内获取的肺细胞构建出的肺小气道芯片能够模拟病毒性或细菌性感染诱导的肺部炎症恶化，类似于在COPD病人中观察到的情形。

        尽管只是拿肺部进行象征性地说明，但是在器官芯片上观察到的生物学特征一直能够复制在动物和人类中观察到的反应。不同的器官芯片也可通过流动液体连接在一起来模拟多种器官如何相互作用。来自这些实验的一些令人吃惊的发现在于在体外复制经常被认为具有复杂生物学特征的身体结构时，人们所需的其实是那么少。

        Ingber说，“利用器官芯片，我们能够将两种或三种组织组合在一起，然后加入免疫细胞或细菌。我们还能够选择性地修改每种控制参数，观察会发生什么---每种参数单独会如何起作用，它们一起时或不同组合时又如何起作用---我不知道还有任何其他的系统能够让我们在组织或器官水平上利用人细胞做到这一点。”

        利用干细胞技术将器官芯片组合在一起也为改善个人化医疗提供可能。比如，Ingber指出通过利用诱导性多能干细胞（iPSC）制造病人组织，人们就可能利用这些组织细胞设计出的芯片筛选药物，如果取得成功的话，就可能在相同的病人体内测试这种潜在的药物。这种类型的个人化药物开发程序将会节省失败的临床试验中所花费的金钱，从能有可能加快开出有益于病人的新药。

        Ingber说，“器官芯片允许人们开展的研究更加类似于人体而不是在刚性的培养皿中研究动物细胞或甚至人细胞。我认为通过将器官芯片与诱导性多能干细胞结合在一起，个人化医疗的概念就可能变成现实。