現(xiàn)今，巨大的投入成本,、冗長的測試時(shí)間和極低的成功率一直是新藥開發(fā)中的瓶頸問題,。盡管經(jīng)過了動(dòng)物模型的藥物初篩，仍有大量化合物實(shí)體因?qū)θ梭w具有毒性或療效甚微而退出研發(fā),，這其中還并不排除有些真正高效的化合物實(shí)體并未在動(dòng)物模型上被檢出。造成這種情況的主要原因是種間差異,，以及動(dòng)物模型的整體復(fù)雜性對(duì)毒理反應(yīng)的稀釋,。

　　近年來，隨著微流控技術(shù)的發(fā)展,，各式新型的微器官組織芯片不斷涌現(xiàn),。通過微流控或組織工程技術(shù)，將同種組織的不同細(xì)胞按照一定的排列和組織形式集成在有限的培養(yǎng)空間上,，形成具有一定組織結(jié)構(gòu)和生理功能的活細(xì)胞結(jié)構(gòu)單元,，就是微器官組織芯片。不同類型的微器官組織芯片相連通,，可以用于模擬不同器官或組織之間的病理毒理反應(yīng),，從而體現(xiàn)多組織器官對(duì)藥物的協(xié)同反應(yīng)。利用這些微器官組織芯片可以：①研究不同藥物對(duì)同種組織處理產(chǎn)生的不同反應(yīng),；②研究同種組織在生理病理?xiàng)l件下的功能差異,；③研究不同組織在同種藥物下的聯(lián)合反應(yīng)等等。文章總結(jié)了近年來微器官組織芯片領(lǐng)域的重大發(fā)展,；比較了同種類微器官組織芯片中,，不同制備方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)工作提供理論基礎(chǔ)。

　　總述

　　在2004年,，Andersson等就首次介紹了搭建用于構(gòu)建細(xì)胞模塊,、控制細(xì)胞、組織形態(tài)和作為生物反應(yīng)器的微流控設(shè)備,，稱為“微器官組織芯片”,。經(jīng)過10余年的發(fā)展，已開發(fā)出針對(duì)多種不同組織,、器官的微器官組織芯片,，用于模擬相應(yīng)的器官的不同生理活動(dòng)。

　　不同的微器官芯片往往由不同的微尺度制備工藝集成,，最常使用的方法有硬光刻,、軟光刻和3D打印。其中,，硬光刻和軟光刻精度高,，但操作工藝復(fù)雜、對(duì)材料和技術(shù)要求高,；3D打印操作相對(duì)容易卻難以達(dá)到微米級(jí)的精確度,。在制作微器官組織芯片的過程中，這些技術(shù)往往聯(lián)合應(yīng)用,，以體現(xiàn)各自的優(yōu)勢,。2017年Beauchamp等制作出了有史以來最小的3D打印微流控裝置。這種微型芯片能在小于100 μm的尺寸下起作用,，為3D打印微流控裝置的大規(guī)模生產(chǎn)提供了條件,。

　　微器官組織芯片涉及4個(gè)關(guān)鍵元件，分別為微流控組件,、活細(xì)胞組織組件,、用于刺激或藥物投放的組件和用于讀出結(jié)果的傳感組件。微流控組件是指利用微流控將目的細(xì)胞送達(dá)指定位置的組件,，也包括在培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液的輸入,，以及廢液的排出系統(tǒng)。通常,，該組件具有小型化,、集成化和自動(dòng)化的特點(diǎn)?；罴?xì)胞組織組件是指將特定細(xì)胞類型在2D或3D情況下進(jìn)行空間上的規(guī)范排布的組件,，通常通過添加生物相容性材料（例如水凝膠）來防止機(jī)械損傷和塑造三維排布。雖然與2D情況相比,，3D的組織結(jié)構(gòu)可以更好地模擬體內(nèi)情況,，但是由于技術(shù)和成本以及細(xì)胞外基質(zhì)的組裝以及脈管的預(yù)設(shè)和形成的限制,，器官組織芯片中活細(xì)胞組件仍以2D培養(yǎng)居多。第三是用于刺激或藥物投放的組件,。一方面,，對(duì)于某些特定組織，物理或化學(xué)信號(hào)刺激是模擬體內(nèi)微環(huán)境的必要條件,，該刺激可以促進(jìn)微組織成熟和功能化（例如電刺激可以幫助心肌組織成熟）,；另一方面，不同的信號(hào)刺激可以來源于不同藥品的添加,，用于藥物篩選,。最后是用于讀出結(jié)果的傳感組件，該傳感組件既可以是嵌入式的傳感輸出組件,，也可以是基于透明芯片的可視化功能評(píng)價(jià)體系,。前者讀數(shù)快，但需要解決傳感組件的生物相容性問題,；后者相對(duì)記錄復(fù)雜,，但可分析系數(shù)增加。由于微器官組織芯片的主要用途是基于疾病模型的藥物篩選,，目前進(jìn)行研發(fā)的微器官也多集中在和重大疾病相關(guān)的重要組織器官,，例如：腦、心臟,、腎臟,、肝臟等等。

　　微型腦組織芯片

　　大腦作為人體中樞神經(jīng)的所在歷來是藥物篩選和毒性測試的重要靶器官,。血腦屏障（BBB）由于其獨(dú)特的選擇性通透性,，使得腦組織內(nèi)環(huán)境保持相對(duì)穩(wěn)定，維持中樞系統(tǒng)的正常生理功能,，成為了藥物檢測研究的重中之重。

　　早在2012年,，Yeon等首次發(fā)表了關(guān)于腦微血管系統(tǒng)滲透性測定的微器官組織芯片裝置,。該裝置利用聚二甲基硅氧烷預(yù)設(shè)兩個(gè)平行的，有微孔連接的高度為25 μm的管道,，通過控制不同管道中液體的流速,，在微孔處產(chǎn)生壓力差。而微孔處則是人類臍帶血管內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)層,，在用星形膠質(zhì)細(xì)胞條件培養(yǎng)基與血管內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)基分別培養(yǎng)2 h后發(fā)現(xiàn),，星形膠質(zhì)細(xì)胞條件培養(yǎng)基的存在降低了血管內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)層的滲透性。

　　隨后,，2013年Griep等發(fā)表了另外一個(gè)微型腦組織芯片模型,。該模型將人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞系細(xì)胞培養(yǎng)在多孔聚碳酸酯（PC）膜上形成屏障,，通過測試電阻的方式來測定屏障的通透能力，發(fā)現(xiàn)加入炎性蛋白腫瘤壞死因子α后,，通透性下降,。

　　2015年，Kim等將小鼠bEnd3內(nèi)皮細(xì)胞在3D打印的微管中培養(yǎng)以模擬血腦屏障,。熒光標(biāo)記的葡聚糖通透實(shí)驗(yàn)證明了該微器官芯片的功能,，甘露醇測定進(jìn)一步表征了滲透性及其隨時(shí)間恢復(fù)的特性。同年的9月,，Brown等團(tuán)隊(duì)通過軟光刻將單個(gè)完整的神經(jīng)-血管單元重現(xiàn)在微組織器官芯片上,。該芯片分為3層，分別為一個(gè)入口通道血管腔層,，腦室層和腦灌注通道層,。芯片中使用的細(xì)胞來源于誘導(dǎo)多能細(xì)胞干細(xì)胞（hiPSC）分化而來的功能性神經(jīng)元細(xì)胞。該研究發(fā)現(xiàn)：谷氨酸鹽會(huì)增加滲透性,，而抗壞血酸具有降低滲透性的功能,；33 ℃的冷休克會(huì)引起血腦屏障的選擇性屏蔽能力降低。

　　2016年,，Herland等工作組使用軟光刻法在單個(gè)方形微通道內(nèi)產(chǎn)生圓柱形膠原凝膠管,，并且在凝膠管壁內(nèi)嵌入星形膠質(zhì)細(xì)胞，通過在凝膠管腔內(nèi)順序播種周細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞來建立多種細(xì)胞類型協(xié)同的血腦屏障微組織三維模型,。該研究發(fā)現(xiàn)：內(nèi)皮細(xì)胞的完整性依賴星形細(xì)胞和周細(xì)胞的存在,。相對(duì)于簡單的二維培養(yǎng)，這種三維多細(xì)胞類型微組織培養(yǎng),，能夠產(chǎn)生和體內(nèi)血腦屏障類似的功能性炎癥刺激反應(yīng),。這可以幫助研究在炎癥條件下，血腦屏障對(duì)不同藥物通透性的變化情況,，從而防止產(chǎn)生未預(yù)期的不良反應(yīng),。

　　而在未來的研究中，更多細(xì)胞類型的加入（包括人類免疫細(xì)胞,，如嗜中性粒細(xì)胞,，膠質(zhì)細(xì)胞和單核細(xì)胞以及人類皮質(zhì)神經(jīng)元等等），無疑會(huì)使微型腦組織器官芯片具有更多的可測試的功能,，用于研究神經(jīng)炎癥,、其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病、免疫相關(guān)神經(jīng)疾病,，以及幫助篩查有可能產(chǎn)生中樞系統(tǒng)毒性的新藥,。

　　微型橫紋肌組織芯片

　　心肌和骨骼肌都屬于橫紋肌。心肌是心臟的主要組成部分,，而心臟是人體存活的必要器官,。骨骼肌約占人總體質(zhì)量的40%,，是人體重要的運(yùn)動(dòng)器官。對(duì)于橫紋肌來講,，一方面,，要具有收縮性；另一方面,，該收縮受神經(jīng)及電信號(hào)調(diào)控,，需達(dá)到收縮的一致性。研究藥物處理對(duì)橫紋肌的影響對(duì)于幫助開發(fā)更有效和更安全的藥物有重要意義,。檢測橫紋肌的功能,，可以通過測定肌肉組織的體外收縮性來完成。常用的兩種方法：第1種方法是Uehata等的測量法,，直接將手術(shù)取得的橫紋肌肌肉條懸掛在收縮力傳感器上測量,，這需要測量較大的力；第2種方法是Jacot等開發(fā)的,，利用橫紋肌細(xì)胞收縮距離的變化來模擬計(jì)算細(xì)胞的收縮力,，該方法可用來測量單個(gè)肌細(xì)胞，但是得到的收縮力數(shù)值是相對(duì)數(shù)值,，并不是絕對(duì)數(shù)值,。

　　2012年，Grosberg等利用二甲基硅氧烷（PDMS）制成帶有表面紋理的彈性薄膜,，并將新生大鼠心肌細(xì)胞種于膜上,，形成肌肉薄膜（MTF）。伴隨心肌細(xì)胞收縮,，該肌肉薄膜可向一側(cè)發(fā)生卷曲,。通過測定肌肉薄膜的卷曲程度，可以分析種植在聚二甲基硅氧烷膜上的不同細(xì)胞收縮能力大小的差異,。該實(shí)驗(yàn)體系既適用于單一肌肉薄膜的測定,，也適用于基于高通量的自動(dòng)化多控板測定。同年5月,，Ma等利用標(biāo)準(zhǔn)光刻和軟光刻相結(jié)合,，將微電極整合在了微肌肉芯片內(nèi)。通過測試兩電極之間微肌肉束的導(dǎo)電能力來評(píng)價(jià)肌肉細(xì)胞的功能,。

　　隨后，2013年,，Zhang等利用水凝膠系統(tǒng)在聚二甲基硅氧烷模具內(nèi)制作自組裝的心肌組織片,。值得一提的是，該工作中用到的心肌細(xì)胞來源于人胚胎干細(xì)胞分化得到的功能性心肌,。該三維組織工程人心肌組織片得到了高達(dá)25.1 cm/s的動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度,，并具有11.8 mN/mm2的收縮應(yīng)力,。和二維培養(yǎng)相比，3D培養(yǎng)更利于hESC-CM的成熟,。并且,，分化體系的副產(chǎn)物，成纖維細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞能夠幫助心肌細(xì)胞進(jìn)一步成熟,。同一實(shí)驗(yàn)室,，2014年Juhas等利用類似的培養(yǎng)體系，體外形成三維骨骼肌微肌肉束,，移植入小鼠體內(nèi)后呈現(xiàn)骨骼肌相應(yīng)功能,，并能夠血管化。2016年,，Zhang等應(yīng)用了3D打印技術(shù)制成了同時(shí)整合了心肌和血管系統(tǒng)的微器官組織芯片,。該模型先利用血管內(nèi)皮細(xì)胞形成血管網(wǎng)，再將心肌細(xì)胞接種于血管網(wǎng)的間隙中,，該血管-心肌微器官組織芯片為心血管相關(guān)藥物提供了可能的篩選平臺(tái),。

　　微型肺組織芯片

　　近10年來，科學(xué)家們已設(shè)計(jì)出多種基于微流控的,、用于研究肺的生理學(xué)功能的肺組織器官芯片,，其中有些甚至可以用作呼吸輔助裝置或者氧合器。第一個(gè)設(shè)計(jì)出微型肺芯片的是Huh等工作組,，他們利用軟光刻成型技術(shù)制作了一個(gè)分為上下兩個(gè)腔室的微型芯片,，人肺泡上皮細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞分別培養(yǎng)于上腔室和下腔室中，上下兩腔室被10 μm厚,、附有細(xì)胞外基質(zhì)的帶微孔聚二甲基硅氧烷膜隔開,。

　　為了模擬真實(shí)肺泡結(jié)構(gòu)—形成肺泡-毛細(xì)血管的類似氣-液界面，在細(xì)胞附著在聚二甲基硅氧烷膜之后,，下部腔室通以培養(yǎng)基使兩種細(xì)胞生長匯集,，上部腔室通以空氣誘導(dǎo)細(xì)胞分化，形成氣液界面,。同時(shí),，由于聚二甲基硅氧烷膜具有彈性，Huh等在上層氣相腔室中構(gòu)建中空室,，進(jìn)行循環(huán)真空抽吸來模擬人體肺中隔膜收縮導(dǎo)致的肺泡的擴(kuò)張,、收縮與肺泡-肺泡毛細(xì)血管屏障的變形。利用該裝置,，Huh等進(jìn)行了炎癥損傷,、納米毒理學(xué)、肺水腫等研究,，驗(yàn)證了其仿生能力,，并首次說明了生理機(jī)械力對(duì)白細(xì)胞介素2誘導(dǎo)的肺泡毛細(xì)血管屏障通透性的增加,，存在不良影響。2015年,，Stucki及其同事報(bào)道了另一種微型肺組織器官芯片,，該模型使用來自患者的原代人肺泡上皮細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)，并首次使用三維立體的擴(kuò)張方式來取代單向彈性膜擴(kuò)張來擬呼吸,。隨后,，Blume等開發(fā)了一種新型的氣道上皮細(xì)胞三維體外培養(yǎng)模型，直接將帶有原代支氣管上皮細(xì)胞的插入式細(xì)胞培養(yǎng)器（Transwell?）整合到微流體培養(yǎng)系統(tǒng)中,，利用系統(tǒng)能不斷地交換體液和介質(zhì)的特性,，來模擬肺間質(zhì)流動(dòng)，從而達(dá)到在更接近體內(nèi)的環(huán)境中研究上皮屏障反應(yīng)的目的,。這套微流控系統(tǒng)利用帶有可滲透過濾器的支架作為單一組織培養(yǎng)室,，并將多個(gè)培養(yǎng)室聯(lián)合起來，使其集成性提高,，更容易和其他（如皮膚,、腸、肝或腎）微器官組織芯片聯(lián)用,。在微型肺組織器官芯片中,，在通過微流控系統(tǒng)來模擬肺部氣-液界面和呼吸擴(kuò)張的同時(shí)，還能向肺泡及附著的毛細(xì)血管施加壓力并提供剪切流動(dòng)剖面,，進(jìn)而更真實(shí)的模擬肺部環(huán)境,。肺組織器官芯片同樣還用于研發(fā)具有臨床應(yīng)用潛力的可植入呼吸輔助裝置，例如Kniazeva等和Hoganson等基于堆疊微通道網(wǎng)絡(luò)與超薄氣體交換膜設(shè)計(jì)出了小型微流體人造肺和可植入的動(dòng)態(tài)肺輔助裝置,。Rochow等同樣也利用堆疊微通道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出了一種微型氧合器,，可通過臍帶血管灌注到胚胎中，以支持呼吸功能不全的新生兒,。鑒于流體參數(shù)的精確控制以及組織界面的成功建模,，微流體平臺(tái)在呼吸系統(tǒng)病理生理學(xué)研究中的應(yīng)用將越來越廣泛。

　　微型腎組織器官芯片

　　腎臟的主要功能是產(chǎn)生尿液,，一方面,，腎臟的濾過功能幫助排出代謝廢物和毒素；另一方面保留水分,，對(duì)蛋白,、糖類及無機(jī)鹽進(jìn)行重吸收，以調(diào)節(jié)人體的電解質(zhì)平衡及酸堿平衡,。在藥物篩選中,，很多藥物具有很高的肝腎毒性，會(huì)對(duì)腎臟的濾過功能產(chǎn)生不可逆的損傷,。研制微型腎組織器官芯片對(duì)于藥物的毒性篩查有重要的意義,。

　　有效培養(yǎng)腎小管細(xì)胞對(duì)體外模擬腎功能極為重要，而微流控系統(tǒng)一方面可以真實(shí)模擬腎小管細(xì)胞生長所依賴的流體環(huán)境,，另一方面還可以提供多孔膜支撐,，以利于細(xì)胞極性的形成。Jang等2010年首次介紹了一種用于培養(yǎng)小鼠腎臟內(nèi)髓集合管細(xì)胞的多層微流控裝置用于模擬小鼠的腎濾過系統(tǒng),。該裝置由聚二甲基硅氧烷制成的上下2個(gè)小室組成,，上室具有通道，其間通以流體來模擬尿腔,，下室用以培養(yǎng)細(xì)胞,，兩室之間用多孔膜相隔。該裝置通過提供一個(gè)仿生環(huán)境,，增強(qiáng)了小鼠腎臟內(nèi)髓集合管細(xì)胞的極性,、幫助其細(xì)胞骨架重組，幫助其在激素刺激下的分子轉(zhuǎn)運(yùn),。2013年,，該工作組利用同樣的微流控裝置培養(yǎng)人原代腎上皮細(xì)胞制備人微型腎組織器官芯片，除了顯示出更強(qiáng)的白蛋白轉(zhuǎn)運(yùn),、葡萄糖再吸收等能力外,，利用該裝置還測量出更接近體內(nèi)的順鉑毒性和Pgp流出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性。在2015年Ilka Maschmeyer及其研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造的四器官芯片聯(lián)通系統(tǒng)中,，也有微型腎組織器官芯片,。該系統(tǒng)分為6 個(gè)腔室，2個(gè)作為排泄液體的儲(chǔ)存器,，另外4個(gè)作為肝臟,、小腸、腎臟,、皮膚組織的培養(yǎng)室,。系統(tǒng)中血液流回路和排泄流回路分別由單獨(dú)的微量泵控制，且在腎近端小管培養(yǎng)室中重疊,。該系統(tǒng)不僅重建了腎近端小管屏障模型,，還首次實(shí)現(xiàn)了4個(gè)組織持續(xù)28d內(nèi)環(huán)境可重復(fù)的共培養(yǎng)，構(gòu)建的系統(tǒng)能夠支持候選藥物微流體ADME（吸收,、分布,、代謝、排泄）分析和劑量可重復(fù)的全身毒性實(shí)驗(yàn),。2016年Zhou等為研究高血壓腎病所設(shè)計(jì)的腎小球芯片模型也采用了類似的上下室結(jié)構(gòu)：上室提供灌注流產(chǎn)生機(jī)械力,，下室通廢液，中間以多孔膜相隔，多孔膜上端培養(yǎng)小鼠腎小球內(nèi)皮細(xì)胞,，下端培養(yǎng)小鼠足細(xì)胞,。不同的是，他們將4個(gè)相同的細(xì)胞培養(yǎng)室相連形成一個(gè)單元來模擬腎小球毛細(xì)血管環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。同一芯片上又集成了4個(gè)腎小球單元以便提高實(shí)驗(yàn)效率,。

　　微型肝組織器官芯片

　　肝臟是人體重要的解毒器官，對(duì)于藥物的藥代動(dòng)力學(xué)和毒性測試有著重要的意義,；并且,，如何能夠在體外培養(yǎng)成體肝臟細(xì)胞并保持其活性一直是困擾肝細(xì)胞相關(guān)研究的瓶頸。早在2006年,，Kane等設(shè)計(jì)出最原始的肝組織器官芯片,，由64個(gè)（8×8）微流體孔構(gòu)成的陣列組成，孔內(nèi)共培養(yǎng)有大鼠肝細(xì)胞和3T3-J2成纖維細(xì)胞,，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)基和氣道的分離,。該芯片內(nèi)培養(yǎng)的大鼠肝細(xì)胞具有連續(xù)、穩(wěn)定合成白蛋白與代謝的能力,。相比該工作,，Lee等2007年設(shè)計(jì)的微型肝組織器官芯片模擬條件更接近于體內(nèi)生理?xiàng)l件。該芯片主體分為細(xì)胞培養(yǎng)室和流體通道,，二者由類內(nèi)皮細(xì)胞屏障隔開,。該屏障由有機(jī)硅蝕刻而成，一方面濃縮培養(yǎng)室中的細(xì)胞,；另一方面將培養(yǎng)室和流體通道隔開,，減少對(duì)流的同時(shí)，允許物質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)輸,，從而達(dá)到模擬肝血竇功能的目的,。在該裝置中，大鼠與人的肝細(xì)胞在無細(xì)胞外基質(zhì)涂層的情況下存活了7 d,，且通過代謝介導(dǎo)的肝毒性雙氯芬酸實(shí)驗(yàn)說明其具有代謝毒性物質(zhì)的功能,。

　　Lee等2013年設(shè)計(jì)的一種三維微型肝組織芯片則是用于研究肝細(xì)胞和肝星狀細(xì)胞（HSCs）的相互作用。該芯片由兩個(gè)腔室構(gòu)成,，一個(gè)室表面平坦,，用于培養(yǎng)大鼠肝星狀細(xì)胞，另一個(gè)室具有凹孔,，用于培養(yǎng)大鼠肝細(xì)胞球體,。兩種細(xì)胞接種到培養(yǎng)室后，以連接管相連,，在滲透泵的作用下,，培養(yǎng)基連續(xù)從肝星狀細(xì)胞培養(yǎng)室流向肝細(xì)胞培養(yǎng)室,。共培養(yǎng)的肝細(xì)胞球體相比于單培養(yǎng)球體，流出液中白蛋白和尿素的含量更高,，說明肝星狀細(xì)胞有助于肝細(xì)胞球體的維持,。Bhise等2016年先利用聚二甲基硅氧烷微孔共培養(yǎng)HepG2/C3A細(xì)胞形成球體，以更好的模擬體內(nèi)肝小葉中肝細(xì)胞狀態(tài),，再將球體以7×7的陣列生物打印到芯片中的中心細(xì)胞培養(yǎng)室中,，培養(yǎng)室通過流體通道與出入口相連。以流出液中白蛋白,、轉(zhuǎn)鐵蛋白、銅藍(lán)蛋白等生物標(biāo)志物含量作為檢測指標(biāo),，結(jié)果不僅證明該芯片在應(yīng)對(duì)APAP治療時(shí)的結(jié)果類似于動(dòng)物和體外模型,，可被用于藥物毒性分析，還證明經(jīng)30 d的培養(yǎng)后,，細(xì)胞球體仍保持較高的活性,。截至目前，最新設(shè)計(jì)出的微型肝組織芯片則通過開發(fā)無泵微流體灌注平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了人肝細(xì)胞樣細(xì)胞的高效分化,，以及可擴(kuò)展的肝小葉芯片實(shí)現(xiàn)人肝細(xì)胞的穩(wěn)定培養(yǎng)和周邊組織（膽汁小管網(wǎng)絡(luò)）的形成,。

　　微型皮膚芯片

　　鑒于皮膚移植相對(duì)于其他器官移植要簡單易行，以及皮膚本身平面化的特征,。皮膚的微器官芯片在研究如何促進(jìn)血管化的基礎(chǔ)上,，更增加微器官復(fù)雜度，著眼于探索制作功能和正常皮膚更類似的微器官,。

　　O’Neill等在2008年構(gòu)建了首個(gè)培養(yǎng)人類表皮角化細(xì)胞（HEK）的四通道微流控裝置,。裝置最底層為50 mm×75 mm的載玻片，使用Ⅰ型鼠尾膠原在載玻片上構(gòu)建平行條帶,，進(jìn)而選擇性黏附,、擴(kuò)增不同通道中的HEK，模擬多孔板中的培養(yǎng)物陣列,；再在膠原條帶上放置軟光刻而成的PDMS細(xì)胞培養(yǎng)通道,，4個(gè)通道以不同流速灌注細(xì)胞，72 h培養(yǎng)后,，培養(yǎng)基灌注速率0.025-0.4 μL/min時(shí),，細(xì)胞可維93.0%-99.6%的存活率。2013年,，Atac團(tuán)隊(duì)開發(fā)的灌注平臺(tái)將培養(yǎng)有青少年包皮組織及下層支撐組織和男性頭皮毛囊的Transwell分別插入平臺(tái)中,，以微通道將兩者相連，并通過內(nèi)置微型泵驅(qū)動(dòng)平臺(tái)內(nèi)介質(zhì)流動(dòng),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,，與靜態(tài)培養(yǎng)相比,， 灌注培養(yǎng)延長了皮膚等效物的培養(yǎng)周期、提高了毛發(fā)纖維的伸長率,。同年Ilka Wagner等通過利用類似的微流控設(shè)備再次證明,，灌注培養(yǎng)可延長市售的皮膚等效物的培養(yǎng)周期與更有效的開展藥物研究。2015年,，Abaci等設(shè)計(jì)的皮膚芯片可持續(xù)培養(yǎng)人成纖維細(xì)胞與角質(zhì)形成細(xì)胞共培養(yǎng)形成的人體皮膚等效物,，該芯片分為3 層，最底層PDMS兩側(cè)均有培養(yǎng)基儲(chǔ)存器,，兩者以微流體通道相連,，最上層PDMS有培養(yǎng)孔，其中可插入培養(yǎng)有人皮膚等效物的Transwell,，上下兩層以聚碳酸酯多孔膜相隔,。人皮膚等效物底層與多孔膜接觸，頂層直接與空氣接觸,；整個(gè)芯片置于一個(gè)搖擺平臺(tái)上,，利用平臺(tái)的循環(huán)搖擺合適的介質(zhì)流速；該芯片不僅可以持續(xù)3周穩(wěn)定培養(yǎng)人皮膚等效物用作藥物測試,，還建立起了數(shù)學(xué)模型以助于更好的評(píng)估藥物擴(kuò)散和分配速率,，從而獲得更佳的測試結(jié)果；Wufuer等2016年開發(fā)了由表皮,、真皮,、血管層3層組成的人體皮膚模型，該芯片包含3個(gè)PDMS 層和2個(gè)用以分隔的聚酯多孔膜,，上層膜上表面培養(yǎng)人表皮角質(zhì)形成細(xì)胞,，下表面和下層膜上表面培養(yǎng)成纖維細(xì)胞，下層膜下表面則培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞,，培養(yǎng)3 d使3種細(xì)胞匯合,。該模型成功模擬了皮膚炎癥與水腫模型，從而更有針對(duì)性的開展透皮藥物治療與皮膚損傷修復(fù),。

　　文章總結(jié)了近10年各類微器官芯片的研究進(jìn)展（見表1）,，關(guān)于器官組織芯片的設(shè)計(jì)制作主要從以下幾個(gè)方面出發(fā)：①模擬體內(nèi)細(xì)胞構(gòu)成，形成適宜目的細(xì)胞類型生長的小生境,；②以三維培養(yǎng)代替二維平鋪培養(yǎng),，通過氣液分離，構(gòu)建芯片內(nèi)三維培養(yǎng)環(huán)境,；③生長因子和物理刺激相結(jié)合,，促進(jìn)培養(yǎng)細(xì)胞成熟；④芯片整合微型傳感器,，使得細(xì)胞培養(yǎng)與功能測試一體化,。這些設(shè)計(jì)上的出發(fā)點(diǎn)簡言之就是仿生,、促生長、促成熟和易檢測,。培養(yǎng)細(xì)胞及微組織功能性的提高無疑會(huì)增加目的器官芯片在藥物測試中的真實(shí)可靠性,，易檢測的微器官芯片則會(huì)利于高通量篩選和產(chǎn)業(yè)化對(duì)接。

　　微器官芯片研究總覽

　　同時(shí),，以上提到的器官組織芯片的設(shè)計(jì)制作幾方面也存在著相應(yīng)的瓶頸和挑戰(zhàn)：①模擬體內(nèi)生境：需要更加深入的基礎(chǔ)研究,，尤其是對(duì)人體正常組織器官的精確細(xì)胞水平、基因表達(dá)水平分析,。目前有了長足發(fā)展的單細(xì)胞測序技術(shù),、人細(xì)胞圖譜計(jì)劃、計(jì)算機(jī)組織建模技術(shù)會(huì)為體內(nèi)生境的重建提供更精確的線索,；②構(gòu)建三維培養(yǎng)體系：雖然較之二維,，三維培養(yǎng)能夠更貼近組織的體內(nèi)狀態(tài)，但是,，三維培養(yǎng)的可控性、刺激一致性較之二維培養(yǎng)均有下降,。如何能夠通過組織工程及微流控,，結(jié)合光刻和三維打印，制備標(biāo)準(zhǔn)化的微組織,，將會(huì)成為下 一步工作的難點(diǎn),；③如何促進(jìn)或維持培養(yǎng)細(xì)胞的成熟一直是體外培養(yǎng)面對(duì)的難題。隨著基礎(chǔ)研究的進(jìn)一步深入,，促進(jìn)細(xì)胞的體外成熟也在逐漸向可控和降成本發(fā)展,；④易檢測，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,，各類微型傳感器的研發(fā)和微集成技術(shù)的更新?lián)Q代,，微器官組織芯片也需要緊跟前沿，將先進(jìn)的傳感技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),。

　　除了以上幾點(diǎn),，微器官組織芯片的最大問題是細(xì)胞來源。一方面,，非人源細(xì)胞和動(dòng)物模型的種間差異,，使得人來源的細(xì)胞成為微器官組織芯片最佳的細(xì)胞來源。另一方面,，人終末功能性細(xì)胞的來源一直制約了各類相關(guān)研究應(yīng)用（見圖1）,。人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞的出現(xiàn)，無疑為該問題的解決提供了直接幫助,。通過體外分化,，人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞能夠分化為各類型終末分化細(xì)胞,。這些終末分化細(xì)胞，既是人來源的細(xì)胞,，又是具有功能性的終末分化細(xì)胞,。同時(shí)，個(gè)性化的人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞的制備,，又為制備患者特異的具有特定突變的疾病模型微器官提供了可能,。

　　圖1 人誘導(dǎo)性多能行干細(xì)胞（hiPSC）分化得到的各類細(xì)胞可作為微器官芯片開發(fā)最佳的細(xì)胞來源

　　綜上，隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入,，微器官組織芯片將有望大規(guī)模應(yīng)用于新藥的研發(fā)和藥物毒理性測試,，取代或部分取代動(dòng)物模型，并進(jìn)一步降低成本,、縮短周期提高有效性,。