器官芯片（organs-on-a-chip），也稱為“芯片上的器官”，是近些年發(fā)展起來的一門新興的交叉學(xué)科，也是當(dāng)今生物學(xué)研究中最熱門的前沿技術(shù)之一，吸引了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，被2016年達(dá)沃斯世界經(jīng)濟(jì)論壇列為"十大新興技術(shù)"之一。

器官芯片

那么，到底什么是器官芯片？它其實(shí)是一種在載玻片大小的芯片上構(gòu)建的器官生理微系統(tǒng)，包含活體細(xì)胞、組織界面、生物流體和機(jī)械力等器官微環(huán)境關(guān)鍵要素。它能在體外模擬某個(gè)人體器官或者整個(gè)器官系統(tǒng)的活動(dòng)、力學(xué)與生理反應(yīng)，也可以說是一種人造器官。器官芯片在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究、新藥研發(fā)、個(gè)性化醫(yī)療、毒性預(yù)測(cè)和生物防御等領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用前景。

接下來，我們以藥物研發(fā)為例，簡(jiǎn)單描述一下器官芯片的作用。藥物研發(fā)是一個(gè)非常耗時(shí)、耗力、耗資的過程。一般來說，研究人員會(huì)用動(dòng)物（小白鼠）實(shí)驗(yàn)來模仿人體實(shí)驗(yàn)。但是，動(dòng)物畢竟與人體存在巨大差異，因此并不能足夠準(zhǔn)確地反應(yīng)人體對(duì)藥物的反應(yīng)。即使某種藥物通過了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但仍有可能無法通過人體實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致無法上市，造成嚴(yán)重的成本浪費(fèi)。芯片器官是一種更迅速、有效的方法，可用于替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。它不僅能較為真實(shí)地反映出人體狀況，而且節(jié)約了藥物研發(fā)成本，縮短了測(cè)試時(shí)間，降低了風(fēng)險(xiǎn)。

如今，科學(xué)家們已經(jīng)創(chuàng)造出各式各樣的器官芯片，例如：

"肺芯片”

"心臟芯片”

"腎單位芯片”

"動(dòng)脈芯片”

同時(shí)模仿不同器官的“人體芯片”。

創(chuàng)新

今天，讓我們繼續(xù)來看芯片器官方面的最新研究進(jìn)展。近日，美國北卡羅萊納州立大學(xué)的研究人員采用一種新型生物傳感器，在“器官芯片”系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)含氧量，使該系統(tǒng)能更加近似地模仿真實(shí)器官的功能。如果芯片器官希望發(fā)揮它們?cè)谒幬锱c毒性實(shí)驗(yàn)方面的潛能，這項(xiàng)研究將是不可或缺的。

技術(shù)

近十年來，芯片器官這一概念受到了研究人員的極大關(guān)注。芯片器官其實(shí)就是創(chuàng)造出小型生物結(jié)構(gòu)，模仿特定的器官功能，例如像肺一樣將氧氣從空氣中轉(zhuǎn)移到血流中。目標(biāo)就是用這些器官芯片，也稱為微生理模型，推進(jìn)高通量測(cè)試，從而評(píng)估毒性或者新藥物的有效性。

近些年來，雖然器官芯片的研究取得了顯著進(jìn)展，但是使用這些結(jié)構(gòu)的一個(gè)障礙就是：缺少實(shí)際從系統(tǒng)中檢索數(shù)據(jù)的工具。

該新型生物傳感器的相關(guān)論文的通信作者 Michael Daniele 表示：“就絕大部分而言，采集器官芯片中的狀況的僅有途徑就是，進(jìn)行生物測(cè)定、組織學(xué)研究、或者使用其他會(huì)損壞組織的技術(shù)?！?Daniele 是北卡羅萊納州立大學(xué)電氣工程系助理教授，他也工作于北卡羅萊納州立大學(xué)與北卡羅萊納大學(xué)教堂山分校的生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合部。

每個(gè)人身體中的含氧量差異很大。例如，在一個(gè)健康的成年人身體中，肺組織氧濃度約為15%，而腸道內(nèi)的氧濃度為0。這很重要，因?yàn)檠踔苯佑绊懡M織的功能。如果你想要知道一個(gè)器官是怎樣正常工作的，你需要在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，讓你的器官芯片中保持“正?！钡暮趿?。

Daniele 表示：“實(shí)際上，這意味著，我們需要擁有一種不僅能在器官芯片的即時(shí)環(huán)境中，也能在器官芯片組織的本身中，監(jiān)測(cè)氧濃度的方法。而且我們需要能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。現(xiàn)在我們已經(jīng)擁有了這樣的方法。”

這種生物傳感器的關(guān)鍵是磷光凝膠，它在紅外線的照射下可以發(fā)出紅外線。這可以被看作是一種回聲閃光。但是，光線照射凝膠與凝膠發(fā)出回聲閃光的延時(shí)，根據(jù)它周圍環(huán)境中的含氧量而不同。氧氣越多，延時(shí)就越短。這些延時(shí)持續(xù)僅幾微秒，但是通過監(jiān)測(cè)這些延時(shí)，研究人員可以測(cè)量低至百分之零點(diǎn)幾的含氧量。

為了讓生物傳感器正常工作，研究人員在制造期間必須將一薄層凝膠加入到器官芯片中。因?yàn)榧t外線可以通過組織，所以研究人員使用了一個(gè)“讀取器”，它發(fā)出紅外線并測(cè)量來自磷光凝膠的回聲閃光，通過測(cè)量到的微秒級(jí)的延時(shí)，來反復(fù)監(jiān)測(cè)組織中的含氧量。

開發(fā)這種生物傳感器的研究團(tuán)隊(duì)已采用人類乳腺上皮細(xì)胞來建模健康組織和癌組織，并在三維支架中成功地測(cè)試了它。

價(jià)值

Daniele 表示：“我們真正需要的是，能提供實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的手段而又不影響系統(tǒng)操作的工具。這將使得我們持續(xù)地采集與分析數(shù)據(jù)，并觀察到更豐富的情況。我們的新型生物傳感器恰好做到了這一點(diǎn)，至少對(duì)于含氧量而言?！?/p>

Daniele 表示：“我們下一步的開發(fā)之一就是，將這些傳感器加入到可自動(dòng)調(diào)整以保持器官芯片中期望的氧濃度的系統(tǒng)中。我們也希望可以與其他組織工程研究人員以及工業(yè)合作伙伴一起合作。我們認(rèn)為，我們的傳感器將成為一個(gè)有價(jià)值的儀器，幫助推進(jìn)作為重要研究工具的芯片器官的開發(fā)?！?/p>