多器官芯片 - 一种微流体平台的长期多组织共培养
2015年4月28日
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在这里，我们提出了一种方案，可以在微流体多器官芯片中共培养原代细胞、组织模型和穿刺活检长达 28 天。人真皮微血管内皮细胞、肝脏聚集体和皮肤活检成功结合在一个共同的介质循环中。
概述
本文介绍了一种利用微流控多器官芯片共培养原代细胞、组织模型和穿刺活检样本的方案，培养时间可长达28天。文中详细描述了将人皮肤微血管内皮细胞、肝细胞聚集体和皮肤活检组织在共同培养基循环系统中成功组合的方法。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 细胞生物学
- 微流控技术
背景
- 微流控系统可实现多个器官系统的集成。
- 共培养技术有助于增强细胞间相互作用的研究。
- 在长期培养过程中维持细胞的活力和功能至关重要。
- 本研究探讨了多器官芯片在长期培养中的应用潜力。
研究目的
- 建立一种可靠的共培养不同类型细胞的实验方案。
- 研究内皮细胞与组织模型之间的相互作用。
- 评估细胞在微流控环境中随时间变化的存活能力。
使用的方法
- 微流控芯片的设计与制备。
- 原代人皮肤微血管内皮细胞的分离。
- 肝细胞聚集体和皮肤活检组织的制备。
- 共培养体系公共培养基循环的建立。
主要结果
- 成功共培养内皮细胞、肝细胞聚集体和皮肤活检组织。
- 细胞在培养中维持活性长达28天。
- 在微流控环境中观察到细胞间的相互作用。
- 在药物测试和疾病模型研究中具有潜在应用价值。
结论
- 微流控多器官芯片适用于长期共培养。
- 该方法可促进对复杂细胞相互作用的研究。
- 未来的研究可进一步拓展该技术的应用范围。
常见问题
什么是微流控多器官芯片？
一种微流控多器官芯片是一种可在受控环境中同时培养多种细胞类型的装置。
细胞在此系统中可培养多长时间？
细胞可在微流控多器官芯片中培养长达28天。
本研究中使用了哪些类型的细胞？
该研究使用了人皮肤微血管内皮细胞、肝细胞聚集体和皮肤活检组织。
这项研究有哪些潜在应用？
潜在应用包括在受控环境中进行药物测试和疾病建模。
使用共培养技术有哪些优势？
共培养技术可加深对细胞间相互作用的理解，并提高体外模型的相关性。
芯片中的培养基循环是如何工作的？
培养基循环可实现营养物质和代谢废物的交换，从而维持细胞的存活和功能。
行业重要性概述
微流控平台中的长期多组织共培养满足了对可预测临床前模型的关键需求，能够更好地模拟器官间相互作用以及慢性物质暴露效应。该系统通过实现稳定、接近生理状态的液体流动以及持续28天的重复给药，支持在早期发现阶段进行机制性风险评估，并提高肝毒性与皮肤安全性评价的转化可靠性。这使得该技术成为药物研发流程中可用于先导化合物筛选与预测性建模的可重复使用工具。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：可实现对跨组织信号通路的探究，并对化合物诱导的器官间相互作用进行机制性风险评估。
- 操作价值：支持在反映生理复杂性的多细胞微环境中对靶点进行功能验证。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：为跨相互连接的组织模型定量评估物质效应提供了一个标准化、可重复的平台。
- 操作价值：通过培养基灌注实现可扩展的长期共培养，支持重复给药及多时间点数据采集。
转化与临床前研究
- 科学价值：通过在可控的灌注系统中模拟人类肝脏-皮肤-血管相互作用，提高疾病相关性。
- 操作价值：通过在长期培养过程中维持组织功能，支持从发现到临床前评估的连续性研究。
流程与工作流整合
微流控多器官芯片通过在与人类相关的共培养系统中实现对器官特异性毒性和通路调节的假设验证，可整合到早期发现的工作流程中。
- 发现生物学：促进对器官间通讯及化合物对组织特异性功能影响的假设验证。
- 筛选：通过稳定、灌注共培养条件实现检测就绪，适用于化合物文库筛选。
- 分析：从多个组织区室生成定量、时间分辨的读数，支持不同条件间的比较分析。
- 转化研究：通过在长达28天的培养周期中维持类器官结构与功能，推动临床前研究的连续性。
- 企业级复用：提供可重复使用的灌注平台，可适配多种组织组合及化合物测试项目。
运营与企业影响
- 科学价值：通过降低器官间相互作用和物质反应中的机制不确定性，提高预测的可信度。
- 操作价值：在可控流体条件下确保长期多细胞共培养的标准化、可重复性和可扩展性。
- 战略价值：通过更早识别器官特异性毒性，为“推进/终止”决策提供依据，降低后期研发失败风险。
- 项目组合影响：基于多组织耐受性和功能读数，实现对候选药物的风险校正优先排序。
实施注意事项
- 需要具备微流控系统操作、原代细胞处理和组织模型制备方面的专业知识。
- 依赖于可灌注的仪器设备、无菌液体操作以及实时监测基础设施。
- 为获得可重复的结果，需在不同团队间对培养基配方、流速和取样流程进行标准化。
- 在整合具有不同培养需求的多种原代组织或活检样本时，需考虑适应性调整。
- 由于需要专门设计和验证芯片结构以维持生理相关的剪切应力和体积比例，其应用受到限制。
生物制药常见问题
为什么长期培养对于靶点验证研究很重要？
长期培养可实现反复的物质暴露，并观察延迟性或累积性的毒性效应，这对于验证慢性疾病模型中的靶点至关重要。该系统支持共培养体系长达28天的存活，从而能够评估靶点结合的持续性以及随时间推移的器官特异性反应。这一培养时长通过模拟人体给药方案，揭示了短期检测中无法捕捉到的迟发性器官相互作用，从而提高了预测的可信度。
独立变量隔离如何提高发现流程的效率？
微流控设计能够精确控制流体流动、培养基成分和组织位置，从而实现对剪切应力或化合物浓度等变量的独立调控。这种控制可减少共培养实验中的混杂因素，提高靶点验证和先导化合物优化的数据可靠性。通过标准化这些参数，研究团队能够在不同实验间更可靠地比较实验条件，减少假阳性结果。
该系统可对因变量进行哪些定量测量？
该平台支持对每个组织区室的代谢物分泌、酶活性、屏障完整性和活力标志物等定量读数。这些测量结果可实现对相互连接的组织中物质效应的剂量-反应建模和动力学分析。通过灌注系统进行的时间分辨采样，能够对功能变化进行纵向追踪，有助于揭示作用机制并评估安全范围。
为什么复制要求对于跨职能协作至关重要？
重复实验可确保观察到的组织反应具有一致性，而非源于细胞接种或芯片制备过程中的随机变异性。标准化的肝脏类器官形成、皮肤活检放置和内皮细胞接种方案，使毒理学、药物代谢与药代动力学（DMPK）及生物学研究团队能够获得可比的数据。这种一致性有助于多学科项目团队共同解读实验结果，并在“推进/终止”决策标准上达成共识。
在实施该系统之前需要具备哪些统计分析能力？
实施需要具备进行纵向数据分析的能力，包括重复测量方差分析或混合效应模型，以考虑基于灌注的检测结果中的时间相关性。当评估多个组织终点或时间点时，研究团队还必须对多重比较进行校正。这些能力可确保观察到的差异具有统计学稳健性，而非由噪声驱动，从而支持在临床前评价中做出可靠决策。
