器官芯片( Organs-on-a-chips)是一種利用微加工技術(shù)，在微流控芯片上制造出能夠模擬人類(lèi)器官的主要功能的仿生系統。除了具有微流控技術(shù)微型化、集成化、低消耗的特點(diǎn)外，器官芯片技術(shù)能夠精確地控制多個(gè)系統參數，如化學(xué)濃度梯度、流體剪切力、以及構建細胞圖形化培養、組織-組織界面與器官-器官相互作用等，從而模擬人體器官的復雜結構、微環(huán)境和生理學(xué)功能。
細胞的生長(cháng)需通過(guò)各種復雜的外環(huán)境與內環(huán)境的協(xié)同作用共同完成，因此在建立體外生理學(xué)模型時(shí)需要考慮外界環(huán)境參數的真實(shí)性。 將微流控技術(shù)與微加工、細胞生物學(xué)相結合而產(chǎn)生的器官芯片技術(shù)在對外界環(huán)境參數的控制中具有其他技術(shù)難以比擬的能力，通過(guò)產(chǎn)生流體剪切力、機械應力、生化濃度梯度等理化刺激,細胞能夠響應這些刺激而發(fā)生自組裝，展現更加真實(shí)的生理學(xué)功能，因而在體外生理學(xué)模型建立中具有特殊的優(yōu)勢。
（1）產(chǎn)生流體剪切力
流體的流動(dòng)會(huì )產(chǎn)生剪切力，人體內每時(shí)每刻都存在著(zhù)流體的流動(dòng)，而傳統靜態(tài)培養卻無(wú)法給與系統剪切力。微流控技術(shù)能夠通過(guò)微泵灌流實(shí)現細胞的動(dòng)態(tài)培養，這有利于穩定地給予細胞營(yíng)養物質(zhì)并及時(shí)將廢物排出，且相比于靜態(tài)培養,細胞所處的動(dòng)態(tài)環(huán)境與體內更為相似。
（2）提供動(dòng)態(tài)的機械應力
人體內存在著(zhù)與生命活動(dòng)相關(guān)的壓力如血壓、肺部壓力、骨骼壓力等。這種穩態(tài)壓力對于維持機體的生理學(xué)功能如組織形成、細胞的分化甚至是腫瘤的形成具有重要的作用。 微流控技術(shù)能夠利用彈性多孔膜制造周期性的機械應力，例如將細胞培養于多孔膜上，利用外界作用力使多孔膜發(fā)生形變從而模擬部分生理功能,如肺的呼吸、腸道蠕動(dòng)以及心臟收縮等。
（3）形成濃度梯度
由于在微尺度下，流體主要以層流形式運動(dòng)，這有利于在通道中產(chǎn)生各種類(lèi)型的濃度梯度。以濃度梯度作為驅動(dòng)的各種生化信號對于許多生理過(guò)程如細胞遷移、分化、免疫反應以及癌癥的轉移等起著(zhù)關(guān)鍵的作用。微流控技術(shù)能夠通過(guò)改變流速與通道尺寸，并利用微閥、微泵技術(shù)或獨特的通道設計等實(shí)現穩定的、三維的生化濃度梯度，從而模擬人體內各種復雜的生理學(xué)過(guò)程。
（4）實(shí)現細胞圖案化培養
人體的組織不是由單一的細胞堆疊而成，而是需要多種細胞有序的排列，通過(guò)復雜的相互作用形成功能化的整體。 微流控技術(shù)對細胞具有超強操控能力，模板法、表面修飾、電化學(xué)法、層流、微柱結構等都有助于實(shí)現在芯片上的細胞圖案化。 這對構建具有一定復雜幾何結構的體外生理學(xué)模型大有裨益，同時(shí)能夠為研究細胞-細胞相互作用、細胞-細胞外基質(zhì)相互作用提供一個(gè)理想的平臺。
經(jīng)過(guò)近幾年來(lái)的快速發(fā)展，研究人員已經(jīng)在微流控芯片上實(shí)現了眾多人體器官的構建如芯片肝、芯片肺、芯片腸、芯片腎、芯片血管、芯片心臟以及多器官芯片等。其中，肺是人的呼吸器官,肺泡是肺部氣體交換的主要部位，也是肺的功能單位。肺泡由一層單層上皮細胞和肺毛細血管內層的內皮細胞構成，具有復雜的生理結構。 因此，傳統的體外培養模式難以對肺的生理模型進(jìn)行準確模擬，而微流控技術(shù)因其對流體流量及芯片尺寸的精確控制、持續的流體灌輸以及持續的氣體交換能力為建立體外肺模型與肺的病理學(xué)研究提供了一個(gè)強有力的平臺。 如下圖a是一個(gè)雙層芯片肺以模擬人的呼吸過(guò)程的結構圖。
芯片肺：（a）有循環(huán)抽吸功能的微加工肺；（b）生理呼吸運動(dòng)；（c）3個(gè)PDMS層的不可逆鍵合；（4）側邊腔室的化學(xué)刻蝕；（5）從上部觀(guān)察的完整芯片系統
從圖a中可以看出見(jiàn)，該芯片分為上下兩層，上層為氣體通道，下層為液體通道，中間由一個(gè)多孔彈性的 PDMS 膜將其分隔，膜的上側培養置于氣-液界面的人肺泡上皮細胞，下側則是浸潤在動(dòng)態(tài)流體環(huán)境中的血管內皮細胞，從而模擬人肺泡-毛細血管屏障；同時(shí)在通道的左右兩側存在兩個(gè)與真空泵連接的側通道，通過(guò)有規律的真空條件變化，引起 PDMS膜發(fā)生形變以模擬人呼吸時(shí)肺泡壁的擴張和收縮。
微流控器官培養套裝：一種致力于細胞培養的微流體系統，包括了進(jìn)入器官培養領(lǐng)域所需要的全部組件。
器官培養套裝的優(yōu)勢：
1、控制壓力和真空
非常適合模仿生理條件
2、在介質(zhì)或藥物之間快速切換
用于成像細胞對各種介質(zhì)或藥物的反應
3、穩定&無(wú)脈沖流量
精確控制液體流量
4、流速范圍廣
從0.01 μL/min到5 mL/min
5、設計流量注入序列
創(chuàng )建復雜的模式，例如模擬生理條件的振蕩流。
器官培養套裝適用的領(lǐng)域：
●腸芯片
●肺芯片
●肝芯片
●皮膚芯片
●心臟芯片
●腎芯片
●血栓通芯片
●神經(jīng)或心血管網(wǎng)絡(luò )芯片
參考文獻
Alexandre Grassart, ValérieMalardé,
Samy Gobaa, Anna Sartori-Rupp, Jordan Kerns, Katia Karalis, Benoit
Marteyn, Philippe Sansonetti, Nathalie Sauvonnet, Bioengineered Human Organ-on-Chip Reveals Intestinal Microenvironment and Mechanical Forces Impacting Shigella Infection, Cell Host & Microbe, 2019, 26(3): 435 - 444. doi.org/10.1016/j.chom.2019.08.007
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