数十年来，生命科学研究与新药研发高度依赖在2D培养皿中进行的静态细胞培养。尽管这种方式为细胞增殖提供了理想环境，但它往往无法重现人体组织特异性的复杂功能。另一方面，动物模型虽然被广泛使用，却常常无法准确预测人类的生理反应。
数据显示，超过80%的在研药物在临床测试阶段宣告失败，其中约60%是因为缺乏疗效，另有30%是由于不可预见的毒性。寻找一种能更精准预测人类生理反应的新型替代模型，已经成为整个医药行业的迫切需求。
在此背景下，器官芯片（Organs-on-Chips，简称OoC）技术应运而生。
模型的演进：从二维培养到器官芯片；改编自文献[1] & scienceinschool.org website
器官芯片并非是在硅基电路板上焊接的微型电子器官，而是一种融合了微加工、生物工程和干细胞技术的仿生微流控设备。
通常，一个完整的器官芯片系统包含以下核心要素：
1. 微流控芯片主体：通常只有硬币至信用卡大小，内部包含用于液体流动的微通道和用于培养细胞的微腔室。
2. 多细胞共培养：将商业细胞系、原代细胞、诱导多能干细胞（iPSC）或类器官等植入不同腔室中。
3. 动态流体灌注：通过微通道持续提供培养基，模拟人体内的血液或体液微循环。
4. 仿生微环境：利用多孔薄膜或3D水凝胶构建生物屏障（如血脑屏障、肠道屏障），甚至通过物理装置模拟器官的机械运动（如肺部呼吸、肠道蠕动）。
5. 实时传感器（可选）：集成生物传感器以实时监测屏障完整性（如TEER跨皮内皮电阻）、细胞代谢水平或氧气消耗量。
器官芯片的结构设计与制造；改编自文献[2]
器官芯片的出现，成功打破了传统“体外研究的僵局”。
首先，它契合了现代动物实验的“3R原则”（Reduction减少、Refinement优化、Replacement替代），有望大幅减少甚至在未来部分替代昂贵且存在伦理争议的动物实验。
其次，与传统模型相比，它具备无与伦比的优势：
高度生理相关性：不仅重现了组织间的交互界面，还引入了流体剪切力和机械刺激，这极大促进了细胞的分化和组织特异性功能的成熟。
全方位的实时分析：兼容高分辨率显微镜成像、质谱分析、转录组学等传统手段，同时支持在线电化学和光学传感器的实时读数。
微量化与高通量：微米级的尺寸意味着只需极少量的细胞、培养基或珍贵药物即可完成实验。
目前，学术界和工业界已经成功开发出多种高度仿生的单一器官模型：
肺芯片（Lung-on-a-chip）：作为首个重现器官级功能的芯片，它不仅通过微多孔膜构建了肺泡-毛细血管界面，还引入了动态气液界面（ALI），并利用两侧的真空通道模拟了真实的呼吸拉伸运动。该模型已被成功用于模拟肺水肿、哮喘以及纳米颗粒吸入引起的炎症反应。
肠道芯片（Gut-on-a-chip）：引入动态流体和蠕动样机械拉伸后，肠道细胞成功分化出了立体的肠绒毛结构。科研人员甚至在芯片中构建了厌氧梯度，成功将复杂的肠道微生物群与人体肠道上皮在芯片上进行了共培养。
肿瘤芯片（Tumor-on-a-chip）：精准再现了肿瘤的微环境，包括极其重要的缺氧和酸性环境。这为研究癌细胞的转移、肿瘤-基质细胞的相互作用以及进行高通量抗癌药物筛选提供了强大的工具。
……
经典案例：会“呼吸”的肺芯片；改编自文献[3]
器官芯片的终极目标，是将多个器官系统流体互联，构建出“多器官芯片”甚至“人体芯片”。
通过导管将独立的芯片模块（如肠、肝、肾、血脑屏障）串联，或者将它们直接集成在同一个微流控板上，可以模拟药物在人体内吸收、分布、代谢、排泄和毒性（ADME-Tox）的完整生命周期。例如，某抗癌药物在体外直接作用于肠癌细胞时可能无效，但经过肝脏芯片代谢后却能释放出致死性的活性物质，这类系统级的药代动力学反应是单一模型无法实现的。
多器官串联的“人体芯片”；改编自文献 [4]、[5]、[6]、[7]和[8]
器官芯片正迅速成为疾病建模、药物研发和个性化医疗的前沿阵地。Gartner报告所预测，这项技术有望在未来5到10年内达到成熟的广泛应用期，彻底改变生命科学与临床医学的面貌。
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[1] Jackson, E. L. & Lu, H. Three-dimensional models for studying development and disease: moving on from organisms to organs-on-a-chip and organoids. Integrative Biology 8, 672-683 (2016).
[2] Ingber, D. E. Human organs-on-chips for disease modelling, drug development and personalized medicine. Nature Reviews Genetics (2022) doi:10.1038/s41576-022-00466-9.
[3] Huh, D. et al. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science 328, 1662-1668 (2010).
[4] Sung, J. H. & Shuler, M. L. A micro cell culture analog (µCCA) with 3-D hydrogel culture of multiple cell lines to assess metabolism-dependent cytotoxicity of anti-cancer drugs. Lab on a Chip 9, 1385 (2009).
[5] Xiao, S. et al. A microfluidic culture model of the human reproductive tract and 28-day menstrual cycle. Nature Communications 8, 14584 (2017).
[6] Schimek, K. et al. Human multi-organ chip co-culture of bronchial lung culture and liver spheroids for substance exposure studies. Scientific Reports 10, 7865 (2020).
[7] McAleer, C. W. et al. Multi-organ system for the evaluation of efficacy and off-target toxicity of anticancer therapeutics. Science Translational Medicine 11, (2019).
[8] Novak, R. et al. Robotic fluidic coupling and interrogation of multiple vascularized organ chips. Nature Biomedical Engineering 4, 407-420 (2020).
010-58237080
