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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 7

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(tǒng)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(tǒng)疾病模型及其挑戰(zhàn)

研究人員通常使用動物或細胞模型來了解人類疾病的發(fā)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?nèi)詿o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(xiàn)人體內(nèi)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(tǒng)疾病模型相比，OoC 的主要優(yōu)勢在于能夠控制生化和細胞環(huán)境以反映體內(nèi)反應。研究人員還可以血管化或灌注組織，將營養(yǎng)物質和流體引入培養(yǎng)細胞。最后，他們可以結合實時傳感器來監(jiān)測細胞的健康和活性，[3]。

疾病建模的系統(tǒng)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(huán)進行交流以維持體內(nèi)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(huán)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(nèi)分泌系統(tǒng)內(nèi)的調節(jié)途徑和激素反饋回路。因此，系統(tǒng)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?。ㄈ绨┌Y、骨關節(jié)炎和代謝疾?。┥婕岸鄠€器官，需要更準確的系統(tǒng)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(tǒng)。該技術用于了解血腦屏障 (BBB) 的神經(jīng)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(yǎng)物成功維持了餐后血糖濃度，而單獨培養(yǎng)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(yǎng)基并去除細胞代謝物和碎屑來產(chǎn)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(nèi)生理條件和機械力。
微流體泵 – 將培養(yǎng)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(wěn)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(yǎng)基、輸送藥物或使細胞懸浮液流過器官芯片系統(tǒng)。

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(chǎn)品的更多信息或索取報價，請立即聯(lián)系 Cellix 了解更多信息。

引用

Disease Nature Portfolio. Available at: /subjects/disease-model. Access: 01/03/2022.

McGonigle, P., & Ruggeri, B. (2014). Animal models of human disease: challenges in enabling translation. Biochemical pharmacology, 87(1), 162-171.

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

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.

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.

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.

關鍵詞：傳感器芯片系統(tǒng)

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