【摘要】 随着微加工技术的快速发展，台式实验可以在小型化系统中进行，如微全量分析系统或微流控芯片实验室(LOC)系统

了解人体生理学和病理生理学需要深入了解活细胞如何在复杂的器官/组织微环境中发挥作用。不同的组织(如神经、血管、肌肉甚至肿瘤)是由多种类型的细胞通过细胞外基质(ECM)和细胞-细胞连接连接在一起，并以不同的三维(3D)排列组成的。在人体中，细胞在其局部组织微环境中表现出器官特异性的时空化学梯度和机械力(如流体剪切应力和压缩)的动态变化，这是细胞生长、功能和存活的关键调节因子。因此，重建先进的体内关键组织界面、时空细胞-细胞和细胞- ECM相互作用以及生化浓度梯度对于药物开发和再生与精准医学领域的进一步发展是必要的。一个多世纪以来，传统的二维(2D)细胞培养一直用于检查细胞功能和分子机制。然而，这些培养物不能支持多种细胞类型的组织特异性分化功能，也不能提供有关生命系统复杂性的信息。需要在仿生器官/组织微系统及其分析应用方面进行技术和方法创新。

随着微加工技术的快速发展，台式实验可以在小型化系统中进行，如微全量分析系统或微流控芯片实验室(LOC)系统[1]。由于LOC系统具有试剂消耗少、反应过程短、灵敏度高、成本低等优点，可用于化学、生物、物理、医学等自然科学的各个学科。考虑到微流控装置中通道尺寸与细胞尺寸的相似性，LOC系统已成为许多基于细胞的研究的首选平台。与2D细胞培养相比，LOC系统更准确地概括了组织结构和细胞外微环境。微流控、组织工程和细胞生物学的融合带来了器官芯片(organ-on-a-chip, OOC)的发展，在相关的物理环境下，通过在微流控装置中精确控制细胞定位和培养来重建组织结构和活体器官的功能复杂性。OOC系统经过精心设计，可以重建体内微环境的关键特征，并在体外呈现组织和器官水平的生理学。自OOC系统在过去十年中首次提出以来，已经开发了许多OOC系统。相应的，在再现器官生理功能方面取得了显著的效果，这是传统的二维细胞培养模型所无法建立的。采用机械往复运动的微流控装置在器官水平上再现呼吸时肺泡运动。尽管人们已经做出了巨大的努力来概括器官的体内条件，但最近开发的大多数OOC系统都不能被认为是器官，因为只有器官的某些方面是从生理功能或解剖结构上模拟的。构建OOC系统时需要考虑几个关键方面，包括空间定义的多细胞共培养或模式细胞共培养、物理禁锢诱导的表型变化、生理细胞与液比、介质流诱导的剪切力、基于微流体装置的机械刺激和驱动、O2、CO2、pH、营养物质和生长因子的环境控制、化学物质浓度梯度的按需存在、内置电极或传感器电刺激或生化读数。只有具有一个或多个这些关键特征的微流体系统才能被称为OOC系统。此外，通过使用多个OOC系统模拟器官-器官相互作用，已经提出了芯片上的身体(BOC)系统。功能性OOC或BOC系统通过提高结果的可靠性和降低成本，极大地推动了基础科学和治疗发展领域的发展。

 [1] Tian C, Tu Q, Liu W, et al. Recent advances in microfluidic technologies for organ-on-a-chip[J]. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2019, 117.

 

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