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微流控專題 | 器官芯片作為下一代疾病模型

來源：廣州虹科電子科技有限公司   2025年06月21日 10:12   1

多年來，疾病建模一直依賴于動物和細胞模型。但這些模型通常價格昂貴，而且無法準確預測人體反應。器官芯片平臺可以通過模擬人體生理相互作用的系統這些空白，從而重新定義研究。本文將討論這項新技術，并向您展示入門所需的一切。

傳統疾病模型及其挑戰

研究人員通常使用動物或細胞模型來了解人類疾病的發展方式和測試新療法，[1]。動物模型在疾病病理生理解剖和新療法評估中起著關鍵作用。盡管如此，它們仍無法預測許多藥物在臨床試驗中的療效和安全性，[2]。此外，涉及動物試驗的倫理問題也促使人們尋找替代方案。細胞模型可以緩解這些問題。然而，它們無法重現人體內組織和器官之間不同細胞類型之間的復雜相互作用，[3]。

利用器官芯片模擬疾病

器官芯片 (OoC) 是一種生物工程微型設備，可模擬器官和組織的基本功能。它們包含多種細胞類型，以反映生理平衡和與模型組織密切相關的生物力學力，[3]。

與傳統疾病模型相比，OoC 的主要優勢在于能夠控制生化和細胞環境以反映體內反應。研究人員還可以血管化或灌注組織，將營養物質和流體引入培養細胞。最后，他們可以結合實時傳感器來監測細胞的健康和活性，[3]。

疾病建模的系統方法

雖然我們的器官在物理上是分開的，但它們通過血液和淋巴循環進行交流以維持體內平衡。多個器官之間的相互作用對于確保身體功能至關重要，[4]。

例如，小腸吸收消化的物質，肝臟代謝它們，血液循環將它們輸送到目標器官，腎臟排泄廢物。這種復雜的吸收、分布、代謝和排泄過程影響著我們的身體對藥物的反應，[4]。

此外，許多生理過程依賴于內分泌系統內的調節途徑和激素反饋回路。因此，系統的器官通訊對于解釋和模擬人類生理功能至關重要。此外，許多疾病（如癌癥、骨關節炎和代謝疾病）涉及多個器官，需要更準確的系統方法。為此，研究人員在的多個單一功能的設備中模擬了多個器官，被稱為多器官芯片，[4]。

多器官芯片應用

多器官芯片方法可以幫助研究人員找出復雜疾病的基本分子機制，[4]。例如模擬不同大腦功能的多器官芯片系統。該技術用于了解血腦屏障 (BBB) 的神經元和微血管細胞之間的代謝通訊，[5]。

另一項研究使用這種方法模擬了 2 型糖尿病。人類胰腺和肝細胞的培養物成功維持了餐后血糖濃度，而單獨培養時兩個器官模塊中的血糖水平仍然很高，[6]。多器官芯片還可用于研究女性生殖功能和癌癥轉移，以及其他潛在應用，[4]。

您需要什么才能開始？

正如我們之前所討論的，器官芯片應該代表影響組織的的生物力應力（例如肺組織的拉伸力或血管組織的血流動力學剪切力）。引入這些力的一種方法是通過微流體通道。這些通道可以通過輸送細胞培養基并去除細胞代謝物和碎屑來產生流體流動，[3]。

通常，器官芯片的基本實驗設置包括：

  • 微流體芯片 – 有助于模擬體內生理條件和機械力。
  • 微流體泵 – 將培養基輸送到您的細胞。Cellix 的 4U 4通道微流體泵非常適合此類實驗。這款精密壓力泵具有穩定而準確的流速，可獨立控制 4 個不同的通道，控制壓力和流量。
  • 流量傳感器 – 為您提供有關流量控制的反饋，以確保實驗按計劃進行。
  • 樣品容器和其他配件 – 容納培養基、輸送藥物或使細胞懸浮液流過器官芯片系統。
4u泵

Cellix 可以為您提供完整的設置（器官芯片套件）或僅提供您需要的組件。要了解有關我們產品的更多信息或索取報價，請立即聯系 Cellix 了解更多信息。

器官芯片解決方案

引用

  1. Disease Nature Portfolio. Available at: /subjects/disease-model. Access: 01/03/2022.
  1. McGonigle, P., & Ruggeri, B. (2014). Animal models of human disease: challenges in enabling translation. Biochemical pharmacology, 87(1), 162-171.
  1. Low, L.A., Mummery, C., Berridge, B.R. et al. Organs-on-chips: into the next decade. Nat Rev Drug Discov 20, 345–361 (2021). https://doi.org/10.1038/s41573-020-0079-3
  1. Picollet-D’hahan, N., Zuchowska, A., Lemeunier, I., & Le Gac, S. (2021). Multiorgan-on-a-chip: a systemic approach to model and decipher inter-organ communication. Trends in Biotechnology.
  1. Maoz, B., Herland, A., FitzGerald, E. et al. A linked organ-on-chip model of the human neurovascular unit reveals the metabolic coupling of endothelial and neuronal cells. Nat Biotechnol 36, 865–874 (2018). https://doi.org/10.1038/nbt.4226.
  1. Bauer, S., Huldt, C. W., Kanebratt, K. P., Durieux, I., Gunne, D., Andersson, S., … & Andersson, T. B. (2017). Functional coupling of human pancreatic islets and liver spheroids on-a-chip: Towards a novel human ex vivo type 2 diabetes model. Scientific reports, 7(1), 1-11.

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