從傳統(tǒng)的體外細(xì)胞培養(yǎng)或動(dòng)物模型向器官芯片（Organ-on-a-Chip, OoC）平臺(tái)過渡，意味著研究人員必須適應(yīng)全新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)解讀模式。器官芯片系統(tǒng)引入了高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞與生化交互網(wǎng)絡(luò)，這與傳統(tǒng)靜態(tài)模型有著本質(zhì)的區(qū)別。

為了幫助大家更好地駕馭這項(xiàng)微生理系統(tǒng)技術(shù)，充分發(fā)揮其產(chǎn)生高價(jià)值生理數(shù)據(jù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，我們總結(jié)了開展器官芯片研究的 5 個(gè)關(guān)鍵建議。

建議 1：用“器官芯片的語境”重構(gòu)您的實(shí)驗(yàn)問題

在小鼠等動(dòng)物模型中，免疫反應(yīng)和代謝等系統(tǒng)性環(huán)境是天然存在的；但在器官芯片模型中，這些微生理環(huán)境需要被刻意重建。因此，深刻理解流體流動(dòng)、剪切應(yīng)力（Shear Stress）以及細(xì)胞/組織間的相互作用是如何塑造最終的生物學(xué)結(jié)果至關(guān)重要。

在著手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)前，請(qǐng)先明確以下生物學(xué)目標(biāo)：

1. 研究重點(diǎn)：您主要想模擬的是屏障功能、炎癥反應(yīng)、藥物代謝，還是細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo)？

2.模型規(guī)模：是致力于復(fù)現(xiàn)單一器官的微環(huán)境，還是需要探究多器官間的生理互作？

3.細(xì)胞來源：計(jì)劃使用原代細(xì)胞、永生化細(xì)胞系，還是患者來源的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）？

通過確定以上這些點(diǎn)，可以確保您的模型zui大化地利用微流控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而產(chǎn)出具有高度生理相關(guān)性的數(shù)據(jù)。

建議 2：拒絕過度設(shè)計(jì)，平衡“復(fù)雜性”與“生物學(xué)相關(guān)性”

在應(yīng)用初期，最容易犯的錯(cuò)誤就是“大而全”。過度復(fù)雜的設(shè)計(jì)（例如一開始就強(qiáng)行疊加多器官串聯(lián)、復(fù)雜的凝膠腔室和多分支的灌注網(wǎng)絡(luò)）往往會(huì)模糊核心的生物學(xué)問題，并讓后期的數(shù)據(jù)解讀變得異常困難。

我們的建議是：“從簡(jiǎn)開始（Start simple）”。

1.單器官芯片通常更容易加工和日常維護(hù)。

2.多器官系統(tǒng)（人體芯片，Body-on-a-chip）雖然在探究藥物脫靶效應(yīng)（如肝-心聯(lián)用模型）時(shí)具有不可替代的作用，但它要求對(duì)器官間的流體傳導(dǎo)、灌注速率以及營養(yǎng)物質(zhì)的均衡遞送進(jìn)行極其嚴(yán)苛的控制。

實(shí)操小貼士：

1. 務(wù)實(shí)設(shè)計(jì)：根據(jù)您現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室硬件（培養(yǎng)箱、顯微鏡、溫控系統(tǒng)）來量身定制模型。

2. 善用商業(yè)化方案：如今的科研人員已不必死磕 PDMS 軟光刻技術(shù)和復(fù)雜的芯片組裝流程，市面上成熟的商業(yè)化芯片能大幅降低技術(shù)門檻。

注：不同材質(zhì)各有所長(zhǎng)。例如，玻璃芯片是缺氧或耐化學(xué)性研究的理想選擇；而 PDMS 芯片則在氧氣滲透性和機(jī)械變形（如模擬呼吸拉伸）方面表現(xiàn)優(yōu)異。

單器官系統(tǒng)（血管芯片）和多器官系統(tǒng)（人體芯片）示意[1]

建議 3：讓設(shè)計(jì)貼合真實(shí)的生理結(jié)構(gòu)

任何器官芯片模型的開發(fā)，都始于對(duì)目標(biāo)生理過程的解構(gòu)。人體組織根據(jù)細(xì)胞組成、功能及細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）特性，主要分為四大類：提供保護(hù)和屏障功能的上皮組織、富含 ECM 起支撐作用的結(jié)締組織、能收縮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和壓力的肌肉組織，以及負(fù)責(zé)信號(hào)傳遞的神經(jīng)組織。

器官功能與微環(huán)境構(gòu)建指南：

您的芯片設(shè)計(jì)必須圍繞您所研究的核心生理過程展開。

1.血管模型：需要在內(nèi)皮屏障表面施加受控的層流和剪切應(yīng)力（通常為 1-10 dyn/cm2），以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的定向排列和緊密連接的形成。

2.腎臟芯片：利用帶有上皮-內(nèi)皮共培養(yǎng)體系和 ECM 支架的灌注管狀通道，來逼真模擬腎臟的重吸收和選擇性滲透功能。

3.組織形態(tài)塑造：靈活運(yùn)用 3D 水凝膠或類器官培養(yǎng)，來促進(jìn)細(xì)胞形成自然的形態(tài)、功能及細(xì)胞間互動(dòng)。

確保芯片內(nèi)的物理和生化信號(hào)與目標(biāo)器官的真實(shí)生理狀態(tài)保持一致，是提升模型預(yù)測(cè)價(jià)值的關(guān)鍵。

四種組織類型示意：神經(jīng)組織、上皮組織、心肌組織和小腸結(jié)締組織[2][3]

建議 4：配備穩(wěn)定、重復(fù)性高的流體控制系統(tǒng)

幾乎所有的器官芯片設(shè)計(jì)都需要引入培養(yǎng)基灌注，以實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的更新并維持動(dòng)態(tài)的微環(huán)境。雖然您可以沿用傳統(tǒng)體外培養(yǎng)的 protocols，但引入受控的流體能顯著提升營養(yǎng)代謝效率并提供必要的機(jī)械刺激。

流體控制技術(shù)的選擇：

1.壓力驅(qū)動(dòng)流體控制是器官芯片系統(tǒng)的shou選。它能夠提供極度穩(wěn)定、無脈沖的液體灌注，能很好地復(fù)現(xiàn)人體內(nèi)的生理流體動(dòng)力學(xué)。這類系統(tǒng)具有極快的穩(wěn)定時(shí)間和ji高的重復(fù)性，能確保細(xì)胞承受恒定的剪切應(yīng)力和均勻的營養(yǎng)物質(zhì)遞送。

2.避坑指南：傳統(tǒng)的注射泵通常會(huì)產(chǎn)生脈沖波動(dòng)的液流，且響應(yīng)時(shí)間緩慢，這極易在實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致細(xì)胞反應(yīng)出現(xiàn)不可控的偏差。通過集成帶有閉環(huán)反饋的壓力控制系統(tǒng)，研究人員可以精細(xì)地調(diào)控流量、波動(dòng)以及時(shí)間梯度，從而更好地模擬血管搏動(dòng)或周期性藥物暴露等生物節(jié)律。

(Microblox 可為您提供包括 細(xì)胞培養(yǎng)/器官模擬平臺(tái)Cellblox、自動(dòng)化器官芯片平臺(tái)Omi、OOC 灌注套裝等全套微流控解決方案。)

建議 5：引入連續(xù)分析——從“器官芯片”邁向真正的“實(shí)驗(yàn)室芯片（Lab-on-a-chip）”

將分析功能直接嵌入器官芯片系統(tǒng)中，能極大地提升數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可解釋性。

1.在線監(jiān)測(cè)：可以集成氧氣、pH 值以及跨皮內(nèi)皮電阻（TEER）傳感器，對(duì)微環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.離線量化：通過收集灌注流出的樣本（取樣），可利用 ELISA、HPLC 或質(zhì)譜等手段精準(zhǔn)量化代謝物、細(xì)胞因子及藥物暴露產(chǎn)生的影響。

3.光學(xué)成像：得益于芯片的優(yōu)異透光性，活細(xì)胞成像和共聚焦觀察得以輕松實(shí)現(xiàn)。

為了確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性，定期的校準(zhǔn)、嚴(yán)格的防氣泡措施以及穩(wěn)定的流量維護(hù)不可少。在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)持續(xù)測(cè)量流速、壓力和細(xì)胞活力，是保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)性的基礎(chǔ)。

器官芯片并不是要取代您現(xiàn)有的研究流程，而是作為一種強(qiáng)有力的補(bǔ)充。從一個(gè)具體的、小規(guī)模的生理學(xué)問題入手，用它來橋接您現(xiàn)有的動(dòng)物數(shù)據(jù)與全新的器官芯片模型，這將幫助您最快地理解并釋放這項(xiàng)前沿技術(shù)的巨大潛力。

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相關(guān)文獻(xiàn)：

[1].Paloschi V, Pauli J, Winski G, Wu Z, Li Z, Botti L, et al. Utilization of an Artery‐on‐a‐Chip to Unravel Novel Regulators and Therapeutic Targets in Vascular Diseases. Adv Healthcare Materials. 2024 Mar;13(6):2302907. 

[2].Miller PG, Shuler ML. Design and demonstration of a pumpless 14 compartment microphysiological system. Biotechnol Bioeng. 2016 Oct;113(10):2213–27. 

[3].Kabelik D. Unit 6: Tissue Structure and Functions. 2024 Aug 30 [cited 2025 Oct 17].