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微流控專題 | 器官芯片作為下一代疾病模型

2025-6-21　閱讀(5)

多年來(lái)，疾病建模一直依賴于動(dòng)物和細(xì)胞模型。但這些模型通常價(jià)格昂貴，而且無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人體反應(yīng)。器官芯片平臺(tái)可以通過(guò)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(xiàng)新技術(shù)，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(dòng)物或細(xì)胞模型來(lái)了解人類疾病的發(fā)展方式和測(cè)試新療法，[1]。動(dòng)物模型在疾病病理生理解剖和新療法評(píng)估中起著關(guān)鍵作用。盡管如此，它們?nèi)詿o(wú)法預(yù)測(cè)許多藥物在臨床試驗(yàn)中的療效和安全性，[2]。此外，涉及動(dòng)物試驗(yàn)的倫理問(wèn)題也促使人們尋找替代方案。細(xì)胞模型可以緩解這些問(wèn)題。然而，它們無(wú)法重現(xiàn)人體內(nèi)組織和器官之間不同細(xì)胞類型之間的復(fù)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(shè)備，可模擬器官和組織的基本功能。它們包含多種細(xì)胞類型，以反映生理平衡和與模型組織密切相關(guān)的生物力學(xué)力，[3]。

與傳統(tǒng)疾病模型相比，OoC 的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠控制生化和細(xì)胞環(huán)境以反映體內(nèi)反應(yīng)。研究人員還可以血管化或灌注組織，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和流體引入培養(yǎng)細(xì)胞。最后，他們可以結(jié)合實(shí)時(shí)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)細(xì)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(guò)血液和淋巴循環(huán)進(jìn)行交流以維持體內(nèi)平衡。多個(gè)器官之間的相互作用對(duì)于確保身體功能至關(guān)重要，[4]。

例如，小腸吸收消化的物質(zhì)，肝臟代謝它們，血液循環(huán)將它們輸送到目標(biāo)器官，腎臟排泄廢物。這種復(fù)雜的吸收、分布、代謝和排泄過(guò)程影響著我們的身體對(duì)藥物的反應(yīng)，[4]。

此外，許多生理過(guò)程依賴于內(nèi)分泌系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)節(jié)途徑和激素反饋回路。因此，系統(tǒng)的器官通訊對(duì)于解釋和模擬人類生理功能至關(guān)重要。此外，許多疾?。ㄈ绨┌Y、骨關(guān)節(jié)炎和代謝疾病）涉及多個(gè)器官，需要更準(zhǔn)確的系統(tǒng)方法。為此，研究人員在的多個(gè)單一功能的設(shè)備中模擬了多個(gè)器官，被稱為多器官芯片，[4]。

多器官芯片應(yīng)用

多器官芯片方法可以幫助研究人員找出復(fù)雜疾病的基本分子機(jī)制，[4]。例如模擬不同大腦功能的多器官芯片系統(tǒng)。該技術(shù)用于了解血腦屏障 (BBB) 的神經(jīng)元和微血管細(xì)胞之間的代謝通訊，[5]。

另一項(xiàng)研究使用這種方法模擬了 2 型糖尿病。人類胰腺和肝細(xì)胞的培養(yǎng)物成功維持了餐后血糖濃度，而單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)兩個(gè)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(zhuǎn)移，以及其他潛在應(yīng)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(yīng)該代表影響組織的的生物力應(yīng)力（例如肺組織的拉伸力或血管組織的血流動(dòng)力學(xué)剪切力）。引入這些力的一種方法是通過(guò)微流體通道。這些通道可以通過(guò)輸送細(xì)胞培養(yǎng)基并去除細(xì)胞代謝物和碎屑來(lái)產(chǎn)生流體流動(dòng)，[3]。

通常，器官芯片的基本實(shí)驗(yàn)設(shè)置包括：

  • 微流體芯片 – 有助于模擬體內(nèi)生理?xiàng)l件和機(jī)械力。
  • 微流體泵 – 將培養(yǎng)基輸送到您的細(xì)胞。Cellix 的 4U 4通道微流體泵非常適合此類實(shí)驗(yàn)。這款精密壓力泵具有穩(wěn)定而準(zhǔn)確的流速，可獨(dú)立控制 4 個(gè)不同的通道，控制壓力和流量。
  • 流量傳感器 – 為您提供有關(guān)流量控制的反饋，以確保實(shí)驗(yàn)按計(jì)劃進(jìn)行。
  • 樣品容器和其他配件 – 容納培養(yǎng)基、輸送藥物或使細(xì)胞懸浮液流過(guò)器官芯片系統(tǒng)。
4u泵

Cellix 可以為您提供完整的設(shè)置（器官芯片套件）或僅提供您需要的組件。要了解有關(guān)我們產(chǎn)品的更多信息或索取報(bào)價(jià)，請(qǐng)立即聯(lián)系 Cellix 了解更多信息。

器官芯片解決方案

引用

  1. Disease Nature Portfolio. Available at: /subjects/disease-model. Access: 01/03/2022.
  1. McGonigle, P., & Ruggeri, B. (2014). Animal models of human disease: challenges in enabling translation. Biochemical pharmacology, 87(1), 162-171.
  1. 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
  1. 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.
  1. 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.
  1. 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.



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