仿生微生理系統(tǒng)（類有機(jī)體）

類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)--- HUMIMIC

類器官是指在結(jié)構(gòu)和功能上都類似來(lái)源器官或組織的模擬物，通過(guò)取特定器官的干細(xì)胞（iPS/ES），或者利用人的多能干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化，能獲得微型的器官樣的三維培養(yǎng)物，在體外模擬器官發(fā)育過(guò)程。

類器官芯片培養(yǎng)系統(tǒng)是一種微流控微生理系統(tǒng)平臺(tái)，能夠維持和培養(yǎng)微縮的類器官，模擬其各自的全尺寸對(duì)應(yīng)器官的生物學(xué)功能和生物的主要特征，如生物流體流動(dòng)，機(jī)械和電耦合，生理組織與流體、組織與組織的比例。

德國(guó)TissUse GmbH公司致力于建設(shè)"多器官芯片"技術(shù)平臺(tái)，是*技術(shù)前沿的多器官串聯(lián)芯片、人體芯片（人體仿生微生理系統(tǒng)）方案的供應(yīng)商。TissUse GmbH公司創(chuàng)始人，Prof. Dr. med. Uwe Marx教授是德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)醫(yī)學(xué)生物技術(shù)系的榮譽(yù)教授，在人體微生理研究領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)性地提出了多器官芯片系統(tǒng)方案的理論，專注于人體芯片的技術(shù)開(kāi)發(fā)，并將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為制藥和化妝品行業(yè)的決策工具。他提出了人體芯片的概念，即在芯片上生成微縮的、無(wú)意識(shí)、無(wú)感官的人體等效物，即“芯片上的人體human-on-a-chip"，并創(chuàng)造性的提出了“類有機(jī)體Organismoid"的理論。

Uwe Marx教授分別于 2015 年、2019 年和 2023 年主辦了三次 MPS 業(yè)內(nèi)的CAAT 研討會(huì)，并于 2023 年 6 月在柏林主辦了第二屆 MPS 世界峰會(huì)。

Uwe Marx教授在德國(guó)柏林夏里特大學(xué)、萊比錫大學(xué)和柏林工業(yè)大學(xué)工作了35年，期間發(fā)表了200多篇行業(yè)評(píng)審論文和多篇著作。他曾擔(dān)任德國(guó)政府多項(xiàng)生物技術(shù)研究計(jì)劃的評(píng)審員。Uwe Marx教授始終專注于創(chuàng)新生物制藥產(chǎn)品和技術(shù)平臺(tái)的發(fā)明和實(shí)施。免疫毒素、人類單克隆抗體、干細(xì)胞移植和 HUMIMIC 多器官芯片平臺(tái)都是他研發(fā)工作的成果。他于2012年獲得多蘿西-赫加蒂獎(jiǎng)（Dorothy Hegarty Award），2014年獲得德國(guó)農(nóng)業(yè)和消費(fèi)者安全部動(dòng)物保護(hù)研究獎(jiǎng)（Animal Protection Research Prize），2017年獲得《ALTEX》雜志最佳文章獎(jiǎng)（Best Article Award），2021年獲得美國(guó)人道協(xié)會(huì)（The United States of America Humane Society for the Advancement of Replacement, Reduction and Refinement of Animals）羅素與伯奇獎(jiǎng)（Russell & Burch Award）。

除學(xué)術(shù)生涯外，Uwe Marx教授還創(chuàng)辦了多家德國(guó)生物技術(shù)公司，其中包括ProBioGen、VITA34和TissUse。自 2020 年起，他擔(dān)任柏林工業(yè)大學(xué)分離出的公司 TissUse 的戰(zhàn)略官，負(fù)責(zé) HUMIMIC® 技術(shù)平臺(tái)的商業(yè)化。

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體外人體系統(tǒng)有機(jī)體生物學(xué)的概念在12年前就被提出來(lái)，當(dāng)時(shí)被稱為“芯片上的人體human-on-a-chip"或“芯片上的身體body-on-a-chip"，從“多器官串聯(lián)芯片Multi-Organ-on-Chip"發(fā)展而來(lái)，將多個(gè)類器官串聯(lián)起來(lái)共培養(yǎng)。

微生理系統(tǒng)MPS成為體外在生物學(xué)上可接受的最小尺度模擬人體生理和形態(tài)的技術(shù)平臺(tái)，因此，微生理系統(tǒng)能夠以的精度為每個(gè)患者篩選出個(gè)性化治療方案。與此同時(shí)，第一個(gè)人類類器官——干細(xì)胞衍生的復(fù)雜三維器官模型，可以在體外擴(kuò)增和自我組織——已經(jīng)證明，只要給人類干細(xì)胞提供相應(yīng)誘導(dǎo)分化及生長(zhǎng)環(huán)境，就可以在體外自我組裝成人體類器官。這些早期的類器官可以精確地反映出人體中對(duì)應(yīng)器官的一系列生理狀態(tài)和病理特征。我們現(xiàn)在把過(guò)去的“芯片上的人體human-on-a-chip"的概念發(fā)展成“類有機(jī)體Organismoid"的理論。首先，我們提出了“類有機(jī)體"的概念，即通過(guò)體外的自我組裝的過(guò)程，模仿個(gè)體從卵細(xì)胞到性成熟的發(fā)生過(guò)程，培養(yǎng)出的——微小的、無(wú)思維、無(wú)情感的體外的人體等效物。微流控微生理系統(tǒng)（MPS）人體長(zhǎng)期類器官培養(yǎng)；（或器官芯片）可以模擬人類生物學(xué)，因此，可以對(duì)器官的生理功能、器官串?dāng)_和藥物的藥理作用進(jìn)行詳細(xì)的時(shí)間研究。MPS努力的一個(gè)主要目標(biāo)是概括疾病狀態(tài)并研究藥物治療的效果。這些模型有可能改變藥物發(fā)現(xiàn)，使新的藥物靶點(diǎn)的有效研究和潛在鑒定，以及在生理學(xué)相關(guān)模型中對(duì)藥物干預(yù)進(jìn)行測(cè)試。最近的一些出版物表明，在開(kāi)發(fā)相關(guān)的人體模型方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，例如人體單器官肺芯片或肝臟芯片平臺(tái)。肺等價(jià)物和肝臟等價(jià)物的疾病模型的進(jìn)一步發(fā)展正在進(jìn)行中。然而，人類全身性疾病的進(jìn)展是通過(guò)破壞兩個(gè)或多個(gè)器官的穩(wěn)態(tài)串?dāng)_。為了模擬這種系統(tǒng)相互作用，一些微生理平臺(tái)的目標(biāo)是在不同的培養(yǎng)室中開(kāi)發(fā)不同類器官的芯片上共培養(yǎng)，通過(guò)微流體通道相互連接。在多器官芯片（MOC）平臺(tái)上成功建立了皮膚活檢組織與三維（3D）人類肝臟球體的器官型穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)期共培養(yǎng)。隨后，建立基于moc的肝球體與人體三維腸道和神經(jīng)元組織模型長(zhǎng)期共培養(yǎng)，進(jìn)行全身重復(fù)劑量物質(zhì)測(cè)試。

---Marx Uwe

Department of Medical Biotechnology, Institute of Biotechnology, Technische Universit?t Berlin, Berlin, Germany,

TissUse GmbH, Berlin, Germany

An Individual Patient's "Body" on Chips – How Organismoid Theory Can Translate Into Your Personal Precision Therapy Approach. Frontiers in Medicine, 2021, Vol. 8

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微流控微生理系統(tǒng)（MPS）（或器官芯片）是指長(zhǎng)期培養(yǎng)人體類器官，可以模擬人類生物學(xué)，因此，可以對(duì)器官的生理功能、器官之間的交流和藥物的獨(dú)理作用進(jìn)行研究。MPS的一個(gè)主要目標(biāo)是構(gòu)建疾病模型并研究藥物治療的效果。這些模型可以促進(jìn)藥物發(fā)現(xiàn)，新靶點(diǎn)的有效性研究和功能性鑒定，以及在生理學(xué)相關(guān)模型中對(duì)給藥進(jìn)行測(cè)試。最近的一些文獻(xiàn)證明表明，科學(xué)界在開(kāi)發(fā)相關(guān)的人體模型方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，例如人體單器官肺芯片或肝臟芯片。肺類器官和肝臟類器官的疾病模型的正在進(jìn)一步發(fā)展中。然而，人類全身性疾病的發(fā)生通常是通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)器官的穩(wěn)態(tài)交流通訊被破壞。為了模擬這種多器官相互作用的系統(tǒng)性，很多微生理平臺(tái)開(kāi)發(fā)了不同類器官在芯片上的共培養(yǎng)，并且通過(guò)微流體通道相互連接。在多器官串聯(lián)芯片（MOC）平臺(tái)上成功建立了人體皮膚活檢組織與三維（3D）人類肝臟類器官的穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)期共培養(yǎng)。隨后，也建立基于MOC的肝臟類器官、腸道類器官和神經(jīng)元（腦類器官）長(zhǎng)期共培養(yǎng)，進(jìn)行全身重復(fù)劑量物質(zhì)測(cè)試。

---Marx Uwe

Department of Medical Biotechnology, Institute of Biotechnology, Technische Universit?t Berlin, Berlin, Germany,

TissUse GmbH, Berlin, Germany

Functional coupling of human pancreatic islets and liver spheroids on-a-chip: Towards a novel human ex vivo type 2 diabetes model. Scientific Reports, 2017

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德國(guó)TissUse的HUMIMIC®類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)包括控制單元和芯片，控制單元能夠模擬人體內(nèi)生理環(huán)境，包括溫度、壓力、真空度、微流道循環(huán)頻率、時(shí)間等參數(shù)，芯片有不同的微流道設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的器官可以單獨(dú)設(shè)置提供相應(yīng)的培養(yǎng)條件，提供精準(zhǔn)的培養(yǎng)和分化環(huán)境。可提供不同類器官的串聯(lián)共培養(yǎng)方案，避免單一類器官無(wú)法模擬人體復(fù)雜生理學(xué)條件下器官相互通訊交流的不足。通過(guò)類器官模擬人類器官組織的生理發(fā)育過(guò)程，應(yīng)用于疾病模型、腫瘤發(fā)生、以及藥物安全性、有效性、毒性、ADME等方面的評(píng)估，旨在減少和取代實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物測(cè)試，簡(jiǎn)化人體臨床試驗(yàn)。

德國(guó)TissUse的HUMIMIC®類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)是通過(guò)控制單元來(lái)控制微流體環(huán)境中的復(fù)雜條件，包括物理因素，如溫度（如37°C）、pH值、氧氣和濕度的供應(yīng)和控制；包括仿生機(jī)械學(xué)因素，例如：血液或尿液的流動(dòng)，空氣在肺中的循環(huán)，膽汁或胰液的流動(dòng)，血液和淋巴管的剪切應(yīng)力，骨骼和軟骨的壓力，皮膚的壓力、肺或胃的外壁，腸的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)，肌肉收縮等等；包括括神經(jīng)元和心臟組織的電信號(hào)。通過(guò)電生理配件實(shí)現(xiàn)了在體內(nèi)模擬組織特異性機(jī)電-生化信號(hào)的必要功能，能夠?yàn)榉巍⒐呛蛙浌翘峁U(kuò)張和壓縮力，以及用于肌肉，心臟，腦的電刺激和電信號(hào)監(jiān)測(cè)。

德國(guó)TissUse的HUMIMIC®類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備來(lái)控制不同的芯片形式。比如HUMIMIC®Chip2芯片，能夠在每個(gè)芯片的兩個(gè)微流道連接的培養(yǎng)室中培養(yǎng)兩個(gè)不同或者相同的器官。芯片上的微泵在每個(gè)微流道中產(chǎn)生生理脈動(dòng)液體循環(huán)流動(dòng)。培養(yǎng)室可以靈活地裝載任何類型的器官，包括基于transwell的培養(yǎng)小室。芯片的底部是光學(xué)透明的玻璃，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像。

     類器官，具有某一器官多種功能性細(xì)胞和組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的三維（3D）培養(yǎng)物，主要來(lái)源于人具有多項(xiàng)分化潛能的多能干細(xì)胞（包括人胚胎干細(xì)胞和人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞iPSCs）或成體干細(xì)胞。人多能干細(xì)胞能分化為個(gè)體所有類型的細(xì)胞，在體外，經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)分化，模擬人體內(nèi)的器官發(fā)育過(guò)程，能使人多能干細(xì)胞直接分化形成各種類器官；不同組織器官都存在內(nèi)源組織干細(xì)胞，在維持各器官的功能形態(tài)發(fā)揮著重要作用。這些干細(xì)胞在體外一定的誘導(dǎo)條件下，可以自組織形成一個(gè)直徑僅為幾毫米的具有組織結(jié)構(gòu)和多種功能細(xì)胞的三維培養(yǎng)物。器官芯片是獲取兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的類器官，并且放置在特定的培養(yǎng)芯片上進(jìn)行共培養(yǎng)，能模擬人體的多個(gè)器官參與的生理學(xué)過(guò)程。    

基于這一定義，可以發(fā)現(xiàn)類器官具備這樣幾個(gè)特征：
?    必須包含一種以上與來(lái)源器官相同的細(xì)胞類型；
?    應(yīng)該表現(xiàn)出來(lái)源器官的一些功能；
?    細(xì)胞的組織方式應(yīng)當(dāng)與來(lái)源器官相似。

類器官作為一個(gè)新興的技術(shù)，在科學(xué)研究領(lǐng)域潛力巨大，包括發(fā)育生物學(xué)、疾病病理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、再生機(jī)制、精準(zhǔn)醫(yī)療以及藥物毒性和藥效試驗(yàn)。與傳統(tǒng)2D細(xì)胞培養(yǎng)模式相比，3D培養(yǎng)的類器官包含多種細(xì)胞類型，能夠形成具有功能的“微器官"，能更好地用于模擬器官組織的發(fā)生過(guò)程及生理病理狀態(tài)，因而在基礎(chǔ)研究以及臨床診療方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

類器官培養(yǎng)使研究人體發(fā)育提供了不受倫理限制的平臺(tái)，為藥物篩選提供了新的平臺(tái)，也是對(duì)現(xiàn)有2D培養(yǎng)方法和動(dòng)物模型系統(tǒng)的高信息量的互補(bǔ) 。

類器官可以模擬人體的內(nèi)外環(huán)境和人體內(nèi)的器官，幫助研究人員觀測(cè)用藥會(huì)對(duì)人體內(nèi)的器官功能產(chǎn)生什么樣的影響。在提倡精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和個(gè)體化治療的時(shí)代，類器官研究比傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)更具有針對(duì)性，并且可以區(qū)別不同癌癥對(duì)于相同藥物的反應(yīng)。不僅如此，研究者還希望通過(guò)誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞強(qiáng)大的再生潛能，體外生成新的器官或組織，然后移植入體內(nèi)以替代損壞的組織器官。此外，類器官為獲取更接近自然人體發(fā)育細(xì)胞用于細(xì)胞治療成為可能。通過(guò)類器官繁殖的干細(xì)胞群取代受損或者患病的組織，類器官提供自體和同種異體細(xì)胞療法的可行性，未來(lái)這一技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也擁有巨大的潛力 。在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，患者衍生的類器官也被證明為有價(jià)值的診斷工具。在進(jìn)行治療之前，采用從患者樣本來(lái)源的類器官篩查患者體外藥物反應(yīng)，旨在為癌癥和囊胞性纖維癥患者的護(hù)理提供指導(dǎo)并預(yù)測(cè)治療結(jié)果。隨著類器官培養(yǎng)系統(tǒng)以及其實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，類器官應(yīng)用到了各大研究領(lǐng)域。    

類器官培養(yǎng)的應(yīng)用案例

類器官的應(yīng)用舉例---疾病模型

     類器官的研究還可用于于疾病模型，如發(fā)育相關(guān)問(wèn)題，遺傳疾病，腫瘤癌癥等。
通過(guò)使用患者的iPSCs可建立有價(jià)值的疾病模型，并能在體外模擬重現(xiàn)病人疾病模型；同時(shí)，類器官的建立可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物藥效和毒性進(jìn)行更有效、更真實(shí)的檢測(cè)。由于類器官可以直接由人類iPSCs直接培養(yǎng)生成，相比于動(dòng)物模型很大程度上避免了因動(dòng)物和人類細(xì)胞間的差異而導(dǎo)致的檢測(cè)結(jié)果不一致。

類器官的應(yīng)用舉例---藥效和毒理測(cè)試

可以從患者來(lái)源的健康和腫瘤組織樣品中建立類器官。與此同時(shí)類器官培養(yǎng)物可用于藥物篩選，這可將腫瘤的遺傳背景與藥物反應(yīng)相關(guān)聯(lián)。來(lái)自同一患者健康組織的類器官的建立提供了通過(guò)篩選選擇性殺死腫瘤細(xì)胞而又不損害健康細(xì)胞的化合物來(lái)開(kāi)發(fā)毒性較小的藥物的機(jī)會(huì)。自我更新的肝細(xì)胞類器官培養(yǎng)物可用于測(cè)試潛在新藥的肝毒性（臨床試驗(yàn)中藥物失敗的原因之一）。在該實(shí)施例中，藥物B似乎更適合于治療患者，因?yàn)樗禺愋詺⑺滥[瘤類器官并且不引起肝毒性。

類器官的應(yīng)用舉例---重演腫瘤形成

類器官的培養(yǎng)和建立，可用于研究腫瘤生成過(guò)程中的突變過(guò)程，比如說(shuō)，通過(guò)從同一腫瘤的不同區(qū)域培養(yǎng)無(wú)性繁殖的類細(xì)胞器，可以用來(lái)研究腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性。

來(lái)自不同健康器官的類器官的生長(zhǎng)，然后對(duì)培養(yǎng)物進(jìn)行全基因組測(cè)序，可以分析器官特異性突變譜。通過(guò)生長(zhǎng)來(lái)自同一腫瘤不同區(qū)域的類器官，可以用于研究腫瘤內(nèi)異質(zhì)性。區(qū)域特異性突變譜可以通過(guò)類器官的全基因組測(cè)序來(lái)揭示。使用與上述相似的方法，可以利用類器官來(lái)研究特定化合物對(duì)健康細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞突變譜的影響。

類器官的應(yīng)用舉例---腫瘤患者個(gè)性化醫(yī)療

有助于個(gè)性化治療策略的設(shè)計(jì)，利用病變和正常的類器官來(lái)評(píng)估各種治療方案。可以篩選多種活性藥物和小化合物，設(shè)計(jì)更有效的用藥方案。培養(yǎng)成熟的類器官還可以為再生醫(yī)學(xué)提供廣泛的組織來(lái)源。對(duì)類器官進(jìn)行基因操作來(lái)修復(fù)缺失的功能，并移植回到患者體內(nèi)。

類器官的應(yīng)用舉例---類器官“生物Bank"

根據(jù)目前的研究進(jìn)展，建立了活體類器官“生物bank"。其中，腫瘤來(lái)源的類器官在表型和基因上都與腫瘤相似。另外，腫瘤類類器官生物庫(kù)使生理學(xué)相關(guān)的藥物篩選成為可能。活體類器官生物庫(kù)可用于確定類器官是否對(duì)個(gè)體患者的藥物反應(yīng)，具有預(yù)測(cè)價(jià)值。

從結(jié)直腸癌患者的健康組織和腫瘤組織中提取的三維有機(jī)組織培養(yǎng)物被用于高通量藥物篩選，以確定可能促進(jìn)個(gè)性化治療的基因藥物相關(guān)性

類器官培養(yǎng)的報(bào)道模型

腸類器官：

     HansClever 課題組證實(shí)單一的Lgr5 +干細(xì)胞能夠在體外持續(xù)增殖并自組裝形成隱窩－絨毛樣的小腸上皮結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的研究結(jié)果顯示，單個(gè)成人Lgr5 + 干細(xì)胞也能在體外成功擴(kuò)增成結(jié)腸類器官，將這種功能性的結(jié)腸上皮移植到硫酸葡聚糖誘導(dǎo)的急性結(jié)腸炎小鼠模型中可以修復(fù)其受損的結(jié)腸上皮。這提示利用單一成人結(jié)腸干細(xì)胞體外擴(kuò)增進(jìn)行結(jié)腸干細(xì)胞治療是可行的。有學(xué)者還應(yīng)用人誘導(dǎo)型多能干細(xì)胞( induced pluripotent stem cells，iPSCs) 直接定向分化為小腸組織的方法明確了Wnt3a 蛋白和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子4 是后腸特定分化所必需的物質(zhì)，而且，這種iPSCs體外構(gòu)建的人體腸道組織中存在的小腸干細(xì)胞，也具有小腸的吸收和分泌功能。這有助于未來(lái)人腸道疾病藥物的設(shè)計(jì)研究，可大大提高了藥物利用率。目前，已有學(xué)者構(gòu)建了小鼠小腸3D 類器官來(lái)進(jìn)行P-糖蛋白抑制劑的篩選，為P-糖蛋白介導(dǎo)的藥物轉(zhuǎn)運(yùn)研究提供了強(qiáng)有力的工具。

肝類器官：

     2013 年，Takebe 等將人多能干細(xì)胞來(lái)源的肝細(xì)胞、人間充質(zhì)干細(xì)胞和人內(nèi)皮細(xì)胞混合后在基質(zhì)膠中培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)3 種細(xì)胞自組裝成3D 化肝芽，將該肝芽移植到丙氧鳥(niǎo)苷誘導(dǎo)肝臟衰亡的TKNOG 小鼠體內(nèi)后發(fā)現(xiàn)這種肝芽可以連接小鼠腸系膜血管，小鼠也出現(xiàn)了人類的藥物代謝過(guò)程。這為肝臟器官發(fā)生的研究提供了有益嘗試。大型哺乳動(dòng)物的類器官再造工程也許能加速人類再生醫(yī)學(xué)研究疾病致病機(jī)制研究的進(jìn)展。2015 年，Nantasanti 等利用狗的肝臟干細(xì)胞構(gòu)建了可分化為功能性肝細(xì)胞的肝類器官模型，能用于銅潴留癥的治療。貓被認(rèn)為是非常適用于研究人類代謝性疾病的模型，所以利用貓的膽道組織構(gòu)建肝類器官，可能是原發(fā)性肝膽疾病研究及藥物篩選的有益工具，但至今也未見(jiàn)利用貓建立長(zhǎng)期保持基因穩(wěn)定的肝臟干/祖細(xì)胞培養(yǎng)體系的報(bào)道。
   

胰腺類器官：

     有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)控制骨形態(tài)發(fā)生蛋白堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、激活素A 和Wnt3a 的表達(dá)水平或使用一些小分子化合物進(jìn)行干預(yù)時(shí)，可以控制內(nèi)胚層細(xì)胞向特定的方向分化，最終形成胰腺。目前，構(gòu)建胰島類器官的主要方法包括利用各種干祖細(xì)胞產(chǎn)生胰島樣細(xì)胞群和利用各種來(lái)源的胰腺細(xì)胞懸液或胰腺組織塊自組裝成擬胰島體。2011 年，Saito 等將人iPSCs 和胚胎小鼠胰島細(xì)胞體外共培養(yǎng)，最后形成能夠產(chǎn)生胰島素的不成熟細(xì)胞群，該細(xì)胞群由胰島α 細(xì)胞包繞中央的β 細(xì)胞構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)和成年鼠胰島相似，將其移植到鏈脲菌素誘導(dǎo)的高血糖小鼠模型中后發(fā)現(xiàn)小鼠血糖水平得到極大改善。而進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究還需要關(guān)注如何規(guī)避免疫反應(yīng)、促進(jìn)再血管化、促進(jìn)類器官分化發(fā)育等問(wèn)題，在這方面，Sabek 等提出制備納米腺體來(lái)促進(jìn)胰島發(fā)揮作用，這種納米腺體是運(yùn)用3D 打印技術(shù)制作可吸收聚合物膠囊包裹胰島樣細(xì)胞團(tuán)形成的，這可能是未來(lái)胰島類器官應(yīng)用的一種思路。
   

腦類器官：

     近來(lái)，譜系重編程技術(shù)為獲取特異性種子細(xì)胞提供了新的途徑。Lancaster 等通過(guò)加入不同生長(zhǎng)因子的方法將人類胚胎干細(xì)胞( embryonic stem cell，ESC) 和iPSC 在神經(jīng)培養(yǎng)基3D 培養(yǎng)出了與9 ～ 10周胚胎大腦類似的“類大腦"，此類迷你大腦具備人類大腦發(fā)育初期的一些主要區(qū)域，也出現(xiàn)了背側(cè)皮層、腹側(cè)前腦等可辨認(rèn)的特征，但由于缺乏一些特定的特征，如小腦、海馬狀突起等，這些區(qū)域無(wú)法應(yīng)用于干細(xì)胞模型。之后，該研究者利用小顱畸形患者的皮膚成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)形成了患者特異性iPSC 細(xì)胞系，并應(yīng)用后者構(gòu)建了小顱畸形腦類器官模型，通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正常ESC和該iPSCs 在類器官形成上并沒(méi)有明顯差異，但是后者形成的類器官中有大量未成熟的神經(jīng)元分化，這為大腦發(fā)育紊亂類疾病的研究提供了一定的思路。2015年Kirwan 等應(yīng)用人iPSC 體外構(gòu)建了人大腦皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠模擬人體內(nèi)皮層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育和功能，這表明可以在體外通過(guò)構(gòu)建大腦類器官來(lái)進(jìn)行人類前腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生理學(xué)機(jī)制的研究。
   

前列腺類器官：

     2014 年，研究人員在實(shí)驗(yàn)室利用來(lái)自轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者的活檢標(biāo)本和去勢(shì)抵抗性前列腺癌( castration-resistant prostate cancer，CＲPC) 患者的循環(huán)腫瘤細(xì)胞成功培育出7 個(gè)前列腺癌類器官，這些前列腺癌類器官以及從中獲得的腫瘤移植物的組織結(jié)構(gòu)及基因突變譜與患者轉(zhuǎn)移灶樣本高度相似。Nicholson 等［21］也應(yīng)用類器官培養(yǎng)技術(shù)成功在體外構(gòu)建患者來(lái)源的異種移植物模型，相比于人源性腫瘤組織異種移植及基因工程鼠模型，這種新型的患者來(lái)源的類器官能更好地代表CＲPC 等高級(jí)別前列腺癌，還能代表前列腺癌的龐大臨床疾病譜，而這種疾病譜是目前僅有的前列腺癌細(xì)胞系無(wú)法代表的，因而在前列腺癌藥物篩選和個(gè)體化治療中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

類器官串聯(lián)培養(yǎng)系統(tǒng)--- HUMIMIC的技術(shù)方案：

多器官串聯(lián)培養(yǎng)，在缺少病人的情況下測(cè)試病人

類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)是一種微流控微生理系統(tǒng)平臺(tái)，能夠維持和培養(yǎng)微縮的等效器官，模擬其各自的全尺寸對(duì)應(yīng)器官的生物學(xué)功能和生物的主要特征，如生物流體流動(dòng)，機(jī)械和電耦合，生理組織與流體、組織與組織的比率。類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)包括控制單元，可同時(shí)操作多個(gè)類器官培養(yǎng)物，能夠模擬人體內(nèi)生理環(huán)境，包括溫度，濕度，氣流，壓力，液體流動(dòng)等等，芯片底部有不通的微流道設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的器官，可以單獨(dú)設(shè)置提供相應(yīng)的培養(yǎng)條件，提供精準(zhǔn)的培養(yǎng)和分化環(huán)境。通過(guò)類器官模擬人類器官組織的生理發(fā)育過(guò)程，應(yīng)用于疾病模型，如發(fā)育相關(guān)問(wèn)題，遺傳疾病，腫瘤癌癥等、以及藥物安全性評(píng)價(jià)、藥物毒理學(xué)鑒定等等研究。

為獲取更高相關(guān)與準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，我們開(kāi)發(fā)了人體內(nèi)的器官模型的自動(dòng)芯片測(cè)試：

配備具有指示相關(guān)性的器官模型的芯片，以能夠在接觸生物體之前檢測(cè)其安全性和有效性；

最終為芯片配備患者自身相關(guān)病變器官的亞基，以評(píng)估整個(gè)個(gè)性化治療的效果；

人體生理反應(yīng)往往涉及更多介質(zhì)循環(huán)和不同組織間相互作用，多器官芯片才能全面反映出機(jī)體器官功能的復(fù)雜性、完整性以及功能變化，一個(gè)相互作用的系統(tǒng)才能更好的模擬整個(gè)系統(tǒng)中器官和組織的不同功能。可提供不同類器官的串聯(lián)培養(yǎng)解決方案，避免單一類器官培養(yǎng)無(wú)法模擬人體內(nèi)的器官相互通訊關(guān)聯(lián)的缺陷。把多種不同器官和組織培養(yǎng)在芯片上，然后通過(guò)微通道連接起來(lái)，集成一個(gè)相互作用的系統(tǒng)，從而模擬整個(gè)系統(tǒng)中器官和組織的不同功能。

TissUse專有的商用MOC技術(shù)支持的器官培養(yǎng)物的數(shù)量范圍從單個(gè)器官培養(yǎng)到支持復(fù)雜器官相互作用研究的器官數(shù)量，包括單器官、二器官、三器官和四器官培養(yǎng)的商業(yè)化的平臺(tái)。成功的案例包括：肝臟、腸、皮膚、血管系統(tǒng)、神經(jīng)組織、心臟組織、軟骨、胰腺、腎臟、毛囊、肺組織、脂肪組織、腫瘤模型和骨髓以及各自的多器官串聯(lián)組合方案。

德國(guó)TissUse公司專注于類器官培養(yǎng)系統(tǒng)研究22年，推出的HUMIMIC類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)，得到FDA的推薦，可提供不同類器官的串聯(lián)培養(yǎng)解決方案，避免單一類器官培養(yǎng)無(wú)法模擬人體內(nèi)的器官相互通訊關(guān)聯(lián)的缺陷，同時(shí)也提供相關(guān)的技術(shù)方案和后續(xù)方法試劑支持，屬于國(guó)際上少有的“Multi-Organ-Chip" 和“Human-on-a-chip"的方案提供者。

類器官串聯(lián)培養(yǎng)系統(tǒng)---HUMIMIC系統(tǒng)

※   相關(guān)組織與液體和組織與組織比率
※   基于插入的屏障模型的插入培養(yǎng)小室
※   兼容組織成像
※   適用于活檢、原代細(xì)胞、ipsc衍生的類器官和細(xì)胞系
※   支持多種形狀，如球體，3D屏障，結(jié)構(gòu)化ECM，打印血管支架

一、專業(yè)化的硬件
     專門設(shè)計(jì)用于在芯片上進(jìn)行多重類器官培養(yǎng)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠模擬人體內(nèi)生理環(huán)境，包括溫度，濕度，氣流，壓力，液體流動(dòng)等等，芯片底部有不通的微流道設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的器官，可以單獨(dú)設(shè)置提供相應(yīng)的培養(yǎng)條件，提供精準(zhǔn)的培養(yǎng)和分化環(huán)境。能高效均一的獲得用于研究或藥物篩選的類器官，具有較好的重復(fù)性。自動(dòng)化細(xì)胞培養(yǎng)、分化一體設(shè)備可以高效提高類器官定向分化成功率。包括：自動(dòng)培養(yǎng)模塊；自動(dòng)換液模塊（可以執(zhí)行至少多種不同的培養(yǎng)基/溶液的換液操作）。該系統(tǒng)能同時(shí)培養(yǎng)4種不同的類器官，通過(guò)微流控聯(lián)在一起，進(jìn)行多器官串聯(lián)培養(yǎng)研究。

二、類器官芯片

     芯片有不通的微流道設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的器官可以單獨(dú)設(shè)置提供相應(yīng)的培養(yǎng)條件，提供精準(zhǔn)的培養(yǎng)和分化環(huán)境；

     芯片的泵腔內(nèi)的柔性膜通過(guò)連接的管道，受到壓力或真空的作用，在微流道之中產(chǎn)生脈動(dòng)體流；

     二聯(lián)類器官芯片可以在一個(gè)芯片上串聯(lián)培養(yǎng)2個(gè)不同（或相同）的類器官；

     三聯(lián)類器官芯片可以在一個(gè)芯片上串聯(lián)培養(yǎng)3個(gè)不同的類器官；

     四聯(lián)類器官芯片可以在一個(gè)芯片上串聯(lián)培養(yǎng)4個(gè)不同的類器官；

三、服務(wù)方案

四、器官模型和串聯(lián)培養(yǎng)

類器官串聯(lián)培養(yǎng)系統(tǒng)---HUMIMIC的應(yīng)用案例

1、神經(jīng)球和肝臟的串聯(lián)共培養(yǎng)（柏林工業(yè)大學(xué)）-二聯(lián)器官共培養(yǎng)的藥物敏感性

2015, Journal of Biotechnology,

A multi-organ chip co-culture of neurospheres and liver equivalents for long-term substance testing

目前用于藥物開(kāi)發(fā)的體外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法模擬人體內(nèi)的器官的復(fù)雜性，而人類和實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物的系統(tǒng)差異巨大，因此現(xiàn)有的方案都不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物的安全性和有效性。德國(guó)、葡萄牙和俄羅斯的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平臺(tái)，測(cè)試毒物對(duì)多器官的作用，揭示了基于微流控的多器官串聯(lián)共培養(yǎng)能夠更好的模擬人體的生理學(xué)環(huán)境。在體外培養(yǎng)條件下，由于氧氣和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)有限，類器官培養(yǎng)往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而去分化。然而微流控系統(tǒng)中通過(guò)持續(xù)灌注培養(yǎng)基，更好地控制環(huán)境條件，如清除分泌物和刺激因子，并且培養(yǎng)基以可控流速通過(guò)，以模擬血流產(chǎn)生的生物剪切應(yīng)力，因此類器官培養(yǎng)物可以保持良好的生長(zhǎng)狀態(tài)。

雙器官串聯(lián)芯片（2-OC）能夠串聯(lián)共培養(yǎng)人的神經(jīng)球（NT2細(xì)胞系）和肝臟類器官（肝HepaRG細(xì)胞和肝HHSteC細(xì)胞）。在持續(xù)兩周的實(shí)驗(yàn)中，反復(fù)加入神經(jīng)毒劑2,5-己二酮，引起神經(jīng)球和肝臟的細(xì)胞凋亡。跟單器官培養(yǎng)相比，串聯(lián)共培養(yǎng)對(duì)毒劑更敏感。因此，多器官串聯(lián)共培養(yǎng)在臨床研究中可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)藥物的安全性和有效性。推測(cè)這是因?yàn)橐粋€(gè)類器官的凋亡信號(hào)導(dǎo)致了第二個(gè)類器官對(duì)藥物反應(yīng)的增強(qiáng)，這一推測(cè)得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持，即串聯(lián)共培養(yǎng)的敏感性增加主要發(fā)生在較低濃度藥物中。

2、心臟肝臟骨骼皮膚的串聯(lián)共培養(yǎng)（哥倫比亞大學(xué)）-四聯(lián)器官共培養(yǎng)的復(fù)雜通訊模型

哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家也開(kāi)發(fā)了一種多器官串聯(lián)芯片，建立了串聯(lián)共培養(yǎng)心臟、肝臟、骨骼、皮膚的技術(shù)，發(fā)表于2022年的Nature Biomedical Engineering，中通過(guò)血液循環(huán)串聯(lián)培養(yǎng)4個(gè)類器官，保持了各個(gè)類器官的表型，還研究了常見(jiàn)的抗癌藥阿霉素對(duì)串聯(lián)芯片中的類器官以及血管的影響。結(jié)果顯示藥物對(duì)串聯(lián)共培養(yǎng)類器官的影響與臨床研究結(jié)果非常相似，證明了多器官串聯(lián)共培養(yǎng)能夠成功的模擬人體中的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)特征。

“值得注意的是，多器官串聯(lián)芯片能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出阿霉素的心臟毒性和心肌病，這意味著，臨床醫(yī)生可以減少阿霉素的治療劑量，甚至讓患者停止該治療方案。“

Gordana Vunjak-Novakovic, Department of Biomedical Engineering, Columbia University

3、胰島和肝臟在芯片上的串聯(lián)共培養(yǎng)（阿斯利康）-二聯(lián)器官共培養(yǎng)的反饋通訊

2017, Nature Scientific Reports,

Functional coupling of human pancreatic islets and liver spheroids on-a-chip: Towards a novel human ex vivo type 2 diabetes model

人類系統(tǒng)性疾病的發(fā)生過(guò)程都是通過(guò)破壞兩個(gè)或多個(gè)器官的自我平衡和相互交流。研究疾病和藥療就需要復(fù)雜的多器官平臺(tái)作為體外生理模型的工具，以確定新的藥物靶點(diǎn)和治療方法。2型糖尿病（T2DM）的發(fā)病率正在不斷上升，并與多器官并發(fā)癥相關(guān)聯(lián)。由于胰島素抵抗，胰島通過(guò)增加分泌和增大胰島體積來(lái)滿足胰島素不斷增加的需求量。當(dāng)胰島無(wú)法適應(yīng)機(jī)體要求時(shí)，血糖水平就會(huì)升高，并出現(xiàn)明顯的2型糖尿病。由于胰島素是肝臟代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，可以將生產(chǎn)葡萄糖的平衡轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣谄咸烟堑膬?chǔ)存，因此胰島素抵抗會(huì)導(dǎo)致糖穩(wěn)態(tài)受損，從而導(dǎo)致2型糖尿病。過(guò)去已經(jīng)報(bào)道了多種表征T2DM特征的動(dòng)物模型，但是，從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的研究往臨床上轉(zhuǎn)化的效果不佳。更重要的是，目前使用的藥物，雖然能緩解糖尿病癥狀，但對(duì)疾病進(jìn)一步發(fā)展的治療效果有限。

胰腺和肝臟是參與維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)的兩個(gè)關(guān)鍵器官，為了模擬T2DM，阿斯利康（AstraZeneca）的科學(xué)家利用TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平臺(tái)，通過(guò)微流控通道相互連接，建立一個(gè)雙器官串聯(lián)芯片（2-OC）模型，實(shí)現(xiàn)芯片上胰腺和肝臟類器官的串聯(lián)共培養(yǎng)，在體外模擬了胰腺和肝臟之間的交流通訊。

建立串聯(lián)共培養(yǎng)類器官（胰島+肝臟）和單獨(dú)培養(yǎng)類器官（僅胰島或肝臟），在培養(yǎng)基中連續(xù)培養(yǎng)15天，串聯(lián)共培養(yǎng)顯示出穩(wěn)定、重復(fù)、循環(huán)的胰島素水平。而胰島單獨(dú)培養(yǎng)的胰島素水平不穩(wěn)定，從第3天到第15天，降低了49%。胰島與肝球體串聯(lián)共培養(yǎng)中，胰島可長(zhǎng)期維持葡萄糖水平，刺激胰島素分泌，而單獨(dú)培養(yǎng)的胰島，胰島素分泌顯著減少。胰島分泌的胰島素促進(jìn)了肝球體對(duì)葡萄糖的利用，顯示了串聯(lián)共培養(yǎng)中類器官之間的功能性交流。在單獨(dú)培養(yǎng)中的肝球體中，15天內(nèi)循環(huán)葡萄糖濃度穩(wěn)定維持在~11 mM。而與胰島共培養(yǎng)時(shí)，肝球體的循環(huán)葡萄糖在48小時(shí)內(nèi)降低到相當(dāng)于人正常餐后的水平度，表明胰島類器官分泌的胰島素刺激了肝球體攝取葡萄糖。

4、肺腫瘤和皮膚在芯片上的串聯(lián)共培養(yǎng)（拜耳）-抗體藥物對(duì)腫瘤和正常器官的影響

針對(duì)EGFR抗體的藥物在癌癥治療中被廣泛應(yīng)用。然而，抗癌藥物的使用量與皮膚不良反應(yīng)成正比相關(guān)，皮膚毒性是上皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR) 靶向治療中最常見(jiàn)的副作用。但是對(duì)于后者的預(yù)測(cè)目前的方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

雙器官串聯(lián)芯片（2-OC）模型，實(shí)現(xiàn)芯片上皮膚和腫瘤的共培養(yǎng)，用于模擬重復(fù)給藥的劑量實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還生成安全性和有效性的數(shù)據(jù)，可以在非常早的階段檢測(cè)到西妥昔單抗cetuximab對(duì)皮膚的幾個(gè)關(guān)鍵副作用。這種體外分析能夠在臨床表現(xiàn)之前預(yù)評(píng)估毒性副作用，可以替代動(dòng)物試驗(yàn)，有望成為評(píng)價(jià)EGFR抗體和其他腫瘤藥物治療指數(shù)的理想工具。

5、皮膚-肝臟在芯片上的串聯(lián)共培養(yǎng)（拜爾斯道夫公司）—評(píng)估化妝品不同的給藥途徑

一種基于芯片的組織培養(yǎng)平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，使化妝品和藥物對(duì)一套微型人體內(nèi)的器官的影響測(cè)試成為可能。這種“人-片"平臺(tái)旨在生成可復(fù)制的、高質(zhì)量的人體物質(zhì)安全性預(yù)測(cè)體外數(shù)據(jù)。被測(cè)物質(zhì)進(jìn)入表皮或在表皮內(nèi)代謝，然后泵入肝臟并激活相應(yīng)的CYPs。因此，在肝臟和皮膚的聯(lián)合培養(yǎng)中，多器官芯片是一種有前途的體外方法，用于全身和局部劑量的化妝品和藥物。

皮膚等效物的培養(yǎng)整合在一個(gè)系統(tǒng)中。芯片上的微泵使代謝運(yùn)輸和附加的生理剪切應(yīng)力成為可能。肝臟和皮膚等效物存活10天，并顯示緊密連接和特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)。每天服用咖啡KAFEI因、維甲酸和倍他米松-21-戊酸，持續(xù)7天，以研究已知可被皮膚和肝臟代謝的化合物的作用。將表面敷于表皮的效果與直接敷于培養(yǎng)基的效果進(jìn)行比較，分析對(duì)皮膚滲透和代謝的影響。對(duì)肝臟和皮膚等價(jià)物進(jìn)行代謝酶、轉(zhuǎn)運(yùn)體、分化標(biāo)記物的表達(dá)和活性分析。結(jié)果顯示，在蛋白水平和mRNA水平上，根據(jù)不同物質(zhì)處理，ⅰ、ⅱ期酶均有本構(gòu)性和誘導(dǎo)性表達(dá)。因此，在肝臟和皮膚的聯(lián)合培養(yǎng)中，多器官芯片是一種有前途的體外方法，用于全身和局部劑量的藥物和化妝品。

6、肺類器官在芯片上的培養(yǎng)（菲莫國(guó)際）-空氣環(huán)境對(duì)呼吸道的影響

使用類人肺模型研究吸入氣溶膠的沉積和吸附，從而使體外人體呼吸毒性的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確和可預(yù)測(cè)。目前的體外氣溶膠暴露系統(tǒng)通常不能模擬這些特性，這可能導(dǎo)致在體外生物測(cè)試系統(tǒng)中交付非現(xiàn)實(shí)的、非人體相關(guān)的可吸入試驗(yàn)物質(zhì)劑量。模擬和研究體外氣溶膠暴露裝置-吸入器可主動(dòng)呼吸、操作醫(yī)用吸入器，或吸吸煙草制品。此外，它可以填充從人類呼吸道不同區(qū)域分離的三維上皮細(xì)胞。包括口腔、支氣管和肺泡細(xì)胞培養(yǎng)物的氣溶膠傳遞和相容性的概念的研究，將其應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)，吸入產(chǎn)生的生理?xiàng)l件下，測(cè)試表現(xiàn)在人的呼吸道的方式。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，它無(wú)需花費(fèi)昂貴、耗時(shí)和具有科學(xué)挑戰(zhàn)性的工作來(lái)確定體內(nèi)提供的劑量，默認(rèn)情況下，適用于任何測(cè)試煙草燃燒產(chǎn)生的氣體和任何測(cè)試成分。

此外，通過(guò)功能和結(jié)構(gòu)上培養(yǎng)人的呼吸道器官模型，該系統(tǒng)消除了在處理呼吸道不同區(qū)域時(shí)重復(fù)暴露與吸煙環(huán)境，并能夠測(cè)試任何相關(guān)的呼吸模式或行為。由于該系統(tǒng)能夠自行產(chǎn)生或取樣測(cè)試氣溶膠，且其方式與人類呼吸道的做法高度相似，因此消除了在外部測(cè)試大氣產(chǎn)生或取樣過(guò)程中引入實(shí)驗(yàn)人工制品的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)建立類器官培養(yǎng)和鑒定平臺(tái)，培養(yǎng)人肺類器官模型，研究煙草（包括煙霧）燃燒后的氣體對(duì)人體內(nèi)健康的影響，從而領(lǐng)導(dǎo)煙草行業(yè)的一場(chǎng)技術(shù)變革，以創(chuàng)造一個(gè)無(wú)害煙的未來(lái)，并最終以無(wú)害煙產(chǎn)品取代香煙，從而造福于那些原本會(huì)繼續(xù)吸煙的成年人、社會(huì)、公司。