01 傳統(tǒng)模型的局限性

二維模型的培養(yǎng)環(huán)境會(huì)影響細(xì)胞的形態(tài)、細(xì)胞分裂方式、基因表達(dá)和細(xì)胞分泌和生理功能。

而且細(xì)胞也會(huì)喪失極性，影響細(xì)胞的重要信號(hào)通路，二維模型也不具備生理機(jī)械信號(hào)的刺激。

聽(tīng)說(shuō)還有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，這個(gè)體外模型怎么樣呢？

動(dòng)物模型研究有滯后性，而且在動(dòng)物身上起作用又不一定適合人類，實(shí)驗(yàn)程序和飼養(yǎng)動(dòng)物的環(huán)境條件發(fā)生變化，生理過(guò)程中的種間變異以及遺傳等因素，都會(huì)導(dǎo)致模型功能異常。

那聽(tīng)起來(lái)真是山重水復(fù)沒(méi)有路了。

不是的，還有器官芯片呢，科研界的柳暗花明！聽(tīng)我給你細(xì)細(xì)道來(lái)~

02 器官芯片的定義

傳統(tǒng)2D模型和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投季哂幸欢ǖ木窒扌?，從而推?dòng)了大量研究向替代模型的發(fā)展。器官芯片逐漸就成為彌補(bǔ)這些局限性的不二選擇。

微流控芯片是利用微工程技術(shù)在三維(3D)系統(tǒng)中培養(yǎng)細(xì)胞，當(dāng)然也包括培養(yǎng)類器官。類器官是器官特異性的多細(xì)胞3D培養(yǎng)，概括了相應(yīng)器官的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和功能特性。

器官芯片應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究的微流控芯片已經(jīng)迅速發(fā)展，器官芯片就是一種用于細(xì)胞培養(yǎng)的微流體裝置，它由連續(xù)灌注的腔室組成，腔室由活細(xì)胞組成，用來(lái)再現(xiàn)組織的生理功能。

03 器官芯片的發(fā)展?jié)摿?/span>

與傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)相比，器官芯片設(shè)備能更好地復(fù)制微架構(gòu)、微環(huán)境和組織與組織的界面，幫助研究復(fù)雜的人類器官和細(xì)胞的生理過(guò)程，這是一大研究創(chuàng)新與突破。下面將詳細(xì)介紹肺芯片的有關(guān)概況。

在肺類器官方面，廣泛的研究已經(jīng)從多種來(lái)源開(kāi)發(fā)肺類器官，包括人類多能干細(xì)胞(hPSCs)、原代呼吸細(xì)胞和旨在模擬肺的細(xì)胞系發(fā)育、再生和疾病產(chǎn)生等方面。

肺器官芯片細(xì)胞培養(yǎng)裝置可復(fù)制和模擬人肺的3D微體系結(jié)構(gòu)和微環(huán)境、呼吸運(yùn)動(dòng)以及人肺的主要生理功能，已經(jīng)顯示出研究人類的生理和疾病的病因的潛力。

04 肺芯片技術(shù)

1、基于光刻的微加工技術(shù)

研究員首先使用lithog-raphy-based微制造技術(shù)設(shè)計(jì)了一種聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)肺芯片模型。該模型由上下微通道組成，由一層薄薄的(10μm)柔性微孔胞外基質(zhì)(ECM)包被膜隔開(kāi)(如圖的A、B)。

在纖維連接蛋白或膠原蛋白包被的多孔膜上，其上半部由培養(yǎng)的人肺泡上皮細(xì)胞組成，下半部由培養(yǎng)的人肺毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞組成。

當(dāng)肺泡細(xì)胞融合，將上通道的介質(zhì)吸出，這樣就與肺泡細(xì)胞形成了一個(gè)氣液界面，下通道維持培養(yǎng)基連續(xù)流動(dòng)。柔性PDMS側(cè)壁有規(guī)律的機(jī)械拉伸和中央多孔膜與粘附的細(xì)胞層拉伸，模仿了生理呼吸運(yùn)動(dòng)。

使用相同的技術(shù)，其他研究人員設(shè)計(jì)了另一個(gè)包含上皮細(xì)胞氣道的微流控肺模型。將這些細(xì)胞分別培養(yǎng)在氣液界面，肺成纖維細(xì)胞和微血管內(nèi)皮細(xì)胞三個(gè)垂直堆疊的腔室中，每個(gè)腔室由納米孔膜隔開(kāi)(圖D)。

2、熱塑性塑料技術(shù)

器官芯片領(lǐng)域相關(guān)研究員開(kāi)發(fā)了一種肺芯片上氣道的熱塑性芯片(圖C)。芯片復(fù)制模擬了肺氣道微環(huán)境中光滑肌肉細(xì)胞(SMCs)、上皮細(xì)胞(ECs)以及支持ECM(膠原、基質(zhì)或兩者結(jié)合)之間的相互作用。

該芯片含有氣液界面培養(yǎng)的上皮細(xì)胞，懸浮水凝膠層代替了培養(yǎng)SMCs的膜和介質(zhì)物。該裝置可拆卸提取懸浮水凝膠進(jìn)行進(jìn)一步分析，可用于研究SMC、EC和細(xì)胞基質(zhì)在慢性肺部疾病(CLDs)發(fā)展中的相互作用。

參考文章：

Lung-on-a-chip: the future of respiratory disease models and pharmacological studies Biotechnology, 40:2, 213-230, DOI:10.1080/07388551.2019.1710458