現今，巨大的投入成本、冗長的測試時間和極低的成功率一直是新藥開發中的瓶頸問題。盡管經過了動物模型的藥物初篩，仍有大量化合物實體因對人體具有毒性或療效甚微而退出研發，這其中還并不排除有些真正高效的化合物實體并未在動物模型上被檢出。造成這種情況的主要原因是種間差異，以及動物模型的整體復雜性對毒理反應的稀釋。
近年來，隨著微流控技術的發展，各式新型的微器官組織芯片不斷涌現。通過微流控或組織工程技術，將同種組織的不同細胞按照一定的排列和組織形式集成在有限的培養空間上，形成具有一定組織結構和生理功能的活細胞結構單元，就是微器官組織芯片。不同類型的微器官組織芯片相連通，可以用于模擬不同器官或組織之間的病理毒理反應，從而體現多組織器官對藥物的協同反應。利用這些微器官組織芯片可以：①研究不同藥物對同種組織處理產生的不同反應；②研究同種組織在生理病理條件下的功能差異；③研究不同組織在同種藥物下的聯合反應等等。文章總結了近年來微器官組織芯片領域的重大發展；比較了同種類微器官組織芯片中，不同制備方案的優缺點，為后續工作提供理論基礎。
總述
在2004年，Andersson等就首次介紹了搭建用于構建細胞模塊、控制細胞、組織形態和作為生物反應器的微流控設備，稱為“微器官組織芯片”。經過10余年的發展，已開發出針對多種不同組織、器官的微器官組織芯片，用于模擬相應的器官的不同生理活動。
不同的微器官芯片往往由不同的微尺度制備工藝集成，最常使用的方法有硬光刻、軟光刻和3D打印。其中，硬光刻和軟光刻精度高，但操作工藝復雜、對材料和技術要求高；3D打印操作相對容易卻難以達到微米級的精確度。在制作微器官組織芯片的過程中，這些技術往往聯合應用，以體現各自的優勢。2017年Beauchamp等制作出了有史以來最小的3D打印微流控裝置。這種微型芯片能在小于100 μm的尺寸下起作用，為3D打印微流控裝置的大規模生產提供了條件。
微器官組織芯片涉及4個關鍵元件，分別為微流控組件、活細胞組織組件、用于刺激或藥物投放的組件和用于讀出結果的傳感組件。微流控組件是指利用微流控將目的細胞送達指定位置的組件，也包括在培養過程中培養液的輸入，以及廢液的排出系統。通常，該組件具有小型化、集成化和自動化的特點。活細胞組織組件是指將特定細胞類型在2D或3D情況下進行空間上的規范排布的組件，通常通過添加生物相容性材料（例如水凝膠）來防止機械損傷和塑造三維排布。雖然與2D情況相比，3D的組織結構可以更好地模擬體內情況，但是由于技術和成本以及細胞外基質的組裝以及脈管的預設和形成的限制，器官組織芯片中活細胞組件仍以2D培養居多。第三是用于刺激或藥物投放的組件。一方面，對于某些特定組織，物理或化學信號刺激是模擬體內微環境的必要條件，該刺激可以促進微組織成熟和功能化（例如電刺激可以幫助心肌組織成熟）；另一方面，不同的信號刺激可以來源于不同藥品的添加，用于藥物篩選。最后是用于讀出結果的傳感組件，該傳感組件既可以是嵌入式的傳感輸出組件，也可以是基于透明芯片的可視化功能評價體系。前者讀數快，但需要解決傳感組件的生物相容性問題；后者相對記錄復雜，但可分析系數增加。由于微器官組織芯片的主要用途是基于疾病模型的藥物篩選，目前進行研發的微器官也多集中在和重大疾病相關的重要組織器官，例如：腦、心臟、腎臟、肝臟等等。
微型腦組織芯片
大腦作為人體中樞神經的所在歷來是藥物篩選和毒性測試的重要靶器官。血腦屏障（BBB）由于其獨特的選擇性通透性，使得腦組織內環境保持相對穩定，維持中樞系統的正常生理功能，成為了藥物檢測研究的重中之重。
早在2012年，Yeon等首次發表了關于腦微血管系統滲透性測定的微器官組織芯片裝置。該裝置利用聚二甲基硅氧烷預設兩個平行的，有微孔連接的高度為25 μm的管道，通過控制不同管道中液體的流速，在微孔處產生壓力差。而微孔處則是人類臍帶血管內皮細胞培養層，在用星形膠質細胞條件培養基與血管內皮細胞培養基分別培養2 h后發現，星形膠質細胞條件培養基的存在降低了血管內皮細胞培養層的滲透性。
隨后，2013年Griep等發表了另外一個微型腦組織芯片模型。該模型將人腦微血管內皮細胞系細胞培養在多孔聚碳酸酯（PC）膜上形成屏障，通過測試電阻的方式來測定屏障的通透能力，發現加入炎性蛋白腫瘤壞死因子α后，通透性下降。
2015年，Kim等將小鼠bEnd3內皮細胞在3D打印的微管中培養以模擬血腦屏障。熒光標記的葡聚糖通透實驗證明了該微器官芯片的功能，甘露醇測定進一步表征了滲透性及其隨時間恢復的特性。同年的9月，Brown等團隊通過軟光刻將單個完整的神經-血管單元重現在微組織器官芯片上。該芯片分為3層，分別為一個入口通道血管腔層，腦室層和腦灌注通道層。芯片中使用的細胞來源于誘導多能細胞干細胞（hiPSC）分化而來的功能性神經元細胞。該研究發現：谷氨酸鹽會增加滲透性，而抗壞血酸具有降低滲透性的功能；33 ℃的冷休克會引起血腦屏障的選擇性屏蔽能力降低。
2016年，Herland等工作組使用軟光刻法在單個方形微通道內產生圓柱形膠原凝膠管，并且在凝膠管壁內嵌入星形膠質細胞，通過在凝膠管腔內順序播種周細胞和內皮細胞來建立多種細胞類型協同的血腦屏障微組織三維模型。該研究發現：內皮細胞的完整性依賴星形細胞和周細胞的存在。相對于簡單的二維培養，這種三維多細胞類型微組織培養，能夠產生和體內血腦屏障類似的功能性炎癥刺激反應。這可以幫助研究在炎癥條件下，血腦屏障對不同藥物通透性的變化情況，從而防止產生未預期的不良反應。
而在未來的研究中，更多細胞類型的加入（包括人類免疫細胞，如嗜中性粒細胞，膠質細胞和單核細胞以及人類皮質神經元等等），無疑會使微型腦組織器官芯片具有更多的可測試的功能，用于研究神經炎癥、其他神經系統疾病、免疫相關神經疾病，以及幫助篩查有可能產生中樞系統毒性的新藥。
微型橫紋肌組織芯片
心肌和骨骼肌都屬于橫紋肌。心肌是心臟的主要組成部分，而心臟是人體存活的必要器官。骨骼肌約占人總體質量的40%，是人體重要的運動器官。對于橫紋肌來講，一方面，要具有收縮性；另一方面，該收縮受神經及電信號調控，需達到收縮的一致性。研究藥物處理對橫紋肌的影響對于幫助開發更有效和更安全的藥物有重要意義。檢測橫紋肌的功能，可以通過測定肌肉組織的體外收縮性來完成。常用的兩種方法：第1種方法是Uehata等的測量法，直接將手術取得的橫紋肌肌肉條懸掛在收縮力傳感器上測量，這需要測量較大的力；第2種方法是Jacot等開發的，利用橫紋肌細胞收縮距離的變化來模擬計算細胞的收縮力，該方法可用來測量單個肌細胞，但是得到的收縮力數值是相對數值，并不是絕對數值。
2012年，Grosberg等利用二甲基硅氧烷（PDMS）制成帶有表面紋理的彈性薄膜，并將新生大鼠心肌細胞種于膜上，形成肌肉薄膜（MTF）。伴隨心肌細胞收縮，該肌肉薄膜可向一側發生卷曲。通過測定肌肉薄膜的卷曲程度，可以分析種植在聚二甲基硅氧烷膜上的不同細胞收縮能力大小的差異。該實驗體系既適用于單一肌肉薄膜的測定，也適用于基于高通量的自動化多控板測定。同年5月，Ma等利用標準光刻和軟光刻相結合，將微電極整合在了微肌肉芯片內。通過測試兩電極之間微肌肉束的導電能力來評價肌肉細胞的功能。
隨后，2013年，Zhang等利用水凝膠系統在聚二甲基硅氧烷模具內制作自組裝的心肌組織片。值得一提的是，該工作中用到的心肌細胞來源于人胚胎干細胞分化得到的功能性心肌。該三維組織工程人心肌組織片得到了高達25.1 cm/s的動作電位傳導速度，并具有11.8 mN/mm2的收縮應力。和二維培養相比，3D培養更利于hESC-CM的成熟。并且，分化體系的副產物，成纖維細胞和血管內皮細胞能夠幫助心肌細胞進一步成熟。同一實驗室，2014年Juhas等利用類似的培養體系，體外形成三維骨骼肌微肌肉束，移植入小鼠體內后呈現骨骼肌相應功能，并能夠血管化。2016年，Zhang等應用了3D打印技術制成了同時整合了心肌和血管系統的微器官組織芯片。該模型先利用血管內皮細胞形成血管網，再將心肌細胞接種于血管網的間隙中，該血管-心肌微器官組織芯片為心血管相關藥物提供了可能的篩選平臺。
微型肺組織芯片
近10年來，科學家們已設計出多種基于微流控的、用于研究肺的生理學功能的肺組織器官芯片，其中有些甚至可以用作呼吸輔助裝置或者氧合器。第一個設計出微型肺芯片的是Huh等工作組，他們利用軟光刻成型技術制作了一個分為上下兩個腔室的微型芯片，人肺泡上皮細胞和肺微血管內皮細胞分別培養于上腔室和下腔室中，上下兩腔室被10 μm厚、附有細胞外基質的帶微孔聚二甲基硅氧烷膜隔開。
為了模擬真實肺泡結構—形成肺泡-毛細血管的類似氣-液界面，在細胞附著在聚二甲基硅氧烷膜之后，下部腔室通以培養基使兩種細胞生長匯集，上部腔室通以空氣誘導細胞分化，形成氣液界面。同時，由于聚二甲基硅氧烷膜具有彈性，Huh等在上層氣相腔室中構建中空室，進行循環真空抽吸來模擬人體肺中隔膜收縮導致的肺泡的擴張、收縮與肺泡-肺泡毛細血管屏障的變形。利用該裝置，Huh等進行了炎癥損傷、納米毒理學、肺水腫等研究，驗證了其仿生能力，并首次說明了生理機械力對白細胞介素2誘導的肺泡毛細血管屏障通透性的增加，存在不良影響。2015年，Stucki及其同事報道了另一種微型肺組織器官芯片，該模型使用來自患者的原代人肺泡上皮細胞與內皮細胞共培養，并首次使用三維立體的擴張方式來取代單向彈性膜擴張來擬呼吸。隨后，Blume等開發了一種新型的氣道上皮細胞三維體外培養模型，直接將帶有原代支氣管上皮細胞的插入式細胞培養器（Transwell?）整合到微流體培養系統中，利用系統能不斷地交換體液和介質的特性，來模擬肺間質流動，從而達到在更接近體內的環境中研究上皮屏障反應的目的。這套微流控系統利用帶有可滲透過濾器的支架作為單一組織培養室，并將多個培養室聯合起來，使其集成性提高，更容易和其他（如皮膚、腸、肝或腎）微器官組織芯片聯用。在微型肺組織器官芯片中，在通過微流控系統來模擬肺部氣-液界面和呼吸擴張的同時，還能向肺泡及附著的毛細血管施加壓力并提供剪切流動剖面，進而更真實的模擬肺部環境。肺組織器官芯片同樣還用于研發具有臨床應用潛力的可植入呼吸輔助裝置，例如Kniazeva等和Hoganson等基于堆疊微通道網絡與超薄氣體交換膜設計出了小型微流體人造肺和可植入的動態肺輔助裝置。Rochow等同樣也利用堆疊微通道網絡設計出了一種微型氧合器，可通過臍帶血管灌注到胚胎中，以支持呼吸功能不全的新生兒。鑒于流體參數的精確控制以及組織界面的成功建模，微流體平臺在呼吸系統病理生理學研究中的應用將越來越廣泛。
微型腎組織器官芯片
腎臟的主要功能是產生尿液，一方面，腎臟的濾過功能幫助排出代謝廢物和毒素；另一方面保留水分，對蛋白、糖類及無機鹽進行重吸收，以調節人體的電解質平衡及酸堿平衡。在藥物篩選中，很多藥物具有很高的肝腎毒性，會對腎臟的濾過功能產生不可逆的損傷。研制微型腎組織器官芯片對于藥物的毒性篩查有重要的意義。
有效培養腎小管細胞對體外模擬腎功能極為重要，而微流控系統一方面可以真實模擬腎小管細胞生長所依賴的流體環境，另一方面還可以提供多孔膜支撐，以利于細胞極性的形成。Jang等2010年首次介紹了一種用于培養小鼠腎臟內髓集合管細胞的多層微流控裝置用于模擬小鼠的腎濾過系統。該裝置由聚二甲基硅氧烷制成的上下2個小室組成，上室具有通道，其間通以流體來模擬尿腔，下室用以培養細胞，兩室之間用多孔膜相隔。該裝置通過提供一個仿生環境，增強了小鼠腎臟內髓集合管細胞的極性、幫助其細胞骨架重組，幫助其在激素刺激下的分子轉運。2013年，該工作組利用同樣的微流控裝置培養人原代腎上皮細胞制備人微型腎組織器官芯片，除了顯示出更強的白蛋白轉運、葡萄糖再吸收等能力外，利用該裝置還測量出更接近體內的順鉑毒性和Pgp流出轉運蛋白活性。在2015年Ilka Maschmeyer及其研究團隊設計并制造的四器官芯片聯通系統中，也有微型腎組織器官芯片。該系統分為6 個腔室，2個作為排泄液體的儲存器，另外4個作為肝臟、小腸、腎臟、皮膚組織的培養室。系統中血液流回路和排泄流回路分別由單獨的微量泵控制，且在腎近端小管培養室中重疊。該系統不僅重建了腎近端小管屏障模型，還首次實現了4個組織持續28d內環境可重復的共培養，構建的系統能夠支持候選藥物微流體ADME（吸收、分布、代謝、排泄）分析和劑量可重復的全身毒性實驗。2016年Zhou等為研究高血壓腎病所設計的腎小球芯片模型也采用了類似的上下室結構：上室提供灌注流產生機械力，下室通廢液，中間以多孔膜相隔，多孔膜上端培養小鼠腎小球內皮細胞，下端培養小鼠足細胞。不同的是，他們將4個相同的細胞培養室相連形成一個單元來模擬腎小球毛細血管環網絡結構。同一芯片上又集成了4個腎小球單元以便提高實驗效率。
微型肝組織器官芯片
肝臟是人體重要的解毒器官，對于藥物的藥代動力學和毒性測試有著重要的意義；并且，如何能夠在體外培養成體肝臟細胞并保持其活性一直是困擾肝細胞相關研究的瓶頸。早在2006年，Kane等設計出最原始的肝組織器官芯片，由64個（8×8）微流體孔構成的陣列組成，孔內共培養有大鼠肝細胞和3T3-J2成纖維細胞，實現了培養基和氣道的分離。該芯片內培養的大鼠肝細胞具有連續、穩定合成白蛋白與代謝的能力。相比該工作，Lee等2007年設計的微型肝組織器官芯片模擬條件更接近于體內生理條件。該芯片主體分為細胞培養室和流體通道，二者由類內皮細胞屏障隔開。該屏障由有機硅蝕刻而成，一方面濃縮培養室中的細胞；另一方面將培養室和流體通道隔開，減少對流的同時，允許物質擴散運輸，從而達到模擬肝血竇功能的目的。在該裝置中，大鼠與人的肝細胞在無細胞外基質涂層的情況下存活了7 d，且通過代謝介導的肝毒性雙氯芬酸實驗說明其具有代謝毒性物質的功能。
Lee等2013年設計的一種三維微型肝組織芯片則是用于研究肝細胞和肝星狀細胞（HSCs）的相互作用。該芯片由兩個腔室構成，一個室表面平坦，用于培養大鼠肝星狀細胞，另一個室具有凹孔，用于培養大鼠肝細胞球體。兩種細胞接種到培養室后，以連接管相連，在滲透泵的作用下，培養基連續從肝星狀細胞培養室流向肝細胞培養室。共培養的肝細胞球體相比于單培養球體，流出液中白蛋白和尿素的含量更高，說明肝星狀細胞有助于肝細胞球體的維持。Bhise等2016年先利用聚二甲基硅氧烷微孔共培養HepG2/C3A細胞形成球體，以更好的模擬體內肝小葉中肝細胞狀態，再將球體以7×7的陣列生物打印到芯片中的中心細胞培養室中，培養室通過流體通道與出入口相連。以流出液中白蛋白、轉鐵蛋白、銅藍蛋白等生物標志物含量作為檢測指標，結果不僅證明該芯片在應對APAP治療時的結果類似于動物和體外模型，可被用于藥物毒性分析，還證明經30 d的培養后，細胞球體仍保持較高的活性。截至目前，最新設計出的微型肝組織芯片則通過開發無泵微流體灌注平臺實現了人肝細胞樣細胞的高效分化，以及可擴展的肝小葉芯片實現人肝細胞的穩定培養和周邊組織（膽汁小管網絡）的形成。
微型皮膚芯片
鑒于皮膚移植相對于其他器官移植要簡單易行，以及皮膚本身平面化的特征。皮膚的微器官芯片在研究如何促進血管化的基礎上，更增加微器官復雜度，著眼于探索制作功能和正常皮膚更類似的微器官。
O’Neill等在2008年構建了首個培養人類表皮角化細胞（HEK）的四通道微流控裝置。裝置最底層為50 mm×75 mm的載玻片，使用Ⅰ型鼠尾膠原在載玻片上構建平行條帶，進而選擇性黏附、擴增不同通道中的HEK，模擬多孔板中的培養物陣列；再在膠原條帶上放置軟光刻而成的PDMS細胞培養通道，4個通道以不同流速灌注細胞，72 h培養后，培養基灌注速率0.025-0.4 μL/min時，細胞可維93.0%-99.6%的存活率。2013年，Atac團隊開發的灌注平臺將培養有青少年包皮組織及下層支撐組織和男性頭皮毛囊的Transwell分別插入平臺中，以微通道將兩者相連，并通過內置微型泵驅動平臺內介質流動。實驗結果證明，與靜態培養相比， 灌注培養延長了皮膚等效物的培養周期、提高了毛發纖維的伸長率。同年Ilka Wagner等通過利用類似的微流控設備再次證明，灌注培養可延長市售的皮膚等效物的培養周期與更有效的開展藥物研究。2015年，Abaci等設計的皮膚芯片可持續培養人成纖維細胞與角質形成細胞共培養形成的人體皮膚等效物，該芯片分為3 層，最底層PDMS兩側均有培養基儲存器，兩者以微流體通道相連，最上層PDMS有培養孔，其中可插入培養有人皮膚等效物的Transwell，上下兩層以聚碳酸酯多孔膜相隔。人皮膚等效物底層與多孔膜接觸，頂層直接與空氣接觸；整個芯片置于一個搖擺平臺上，利用平臺的循環搖擺合適的介質流速；該芯片不僅可以持續3周穩定培養人皮膚等效物用作藥物測試，還建立起了數學模型以助于更好的評估藥物擴散和分配速率，從而獲得更佳的測試結果；Wufuer等2016年開發了由表皮、真皮、血管層3層組成的人體皮膚模型，該芯片包含3個PDMS 層和2個用以分隔的聚酯多孔膜，上層膜上表面培養人表皮角質形成細胞，下表面和下層膜上表面培養成纖維細胞，下層膜下表面則培養內皮細胞，培養3 d使3種細胞匯合。該模型成功模擬了皮膚炎癥與水腫模型，從而更有針對性的開展透皮藥物治療與皮膚損傷修復。
文章總結了近10年各類微器官芯片的研究進展（見表1），關于器官組織芯片的設計制作主要從以下幾個方面出發：①模擬體內細胞構成，形成適宜目的細胞類型生長的小生境；②以三維培養代替二維平鋪培養，通過氣液分離，構建芯片內三維培養環境；③生長因子和物理刺激相結合，促進培養細胞成熟；④芯片整合微型傳感器，使得細胞培養與功能測試一體化。這些設計上的出發點簡言之就是仿生、促生長、促成熟和易檢測。培養細胞及微組織功能性的提高無疑會增加目的器官芯片在藥物測試中的真實可靠性，易檢測的微器官芯片則會利于高通量篩選和產業化對接。
微器官芯片研究總覽
同時，以上提到的器官組織芯片的設計制作幾方面也存在著相應的瓶頸和挑戰：①模擬體內生境：需要更加深入的基礎研究，尤其是對人體正常組織器官的精確細胞水平、基因表達水平分析。目前有了長足發展的單細胞測序技術、人細胞圖譜計劃、計算機組織建模技術會為體內生境的重建提供更精確的線索；②構建三維培養體系：雖然較之二維，三維培養能夠更貼近組織的體內狀態，但是，三維培養的可控性、刺激一致性較之二維培養均有下降。如何能夠通過組織工程及微流控，結合光刻和三維打印，制備標準化的微組織，將會成為下 一步工作的難點；③如何促進或維持培養細胞的成熟一直是體外培養面對的難題。隨著基礎研究的進一步深入，促進細胞的體外成熟也在逐漸向可控和降成本發展；④易檢測，隨著微電子技術的發展，各類微型傳感器的研發和微集成技術的更新換代，微器官組織芯片也需要緊跟前沿，將先進的傳感技術用于實驗設計。
除了以上幾點，微器官組織芯片的最大問題是細胞來源。一方面，非人源細胞和動物模型的種間差異，使得人來源的細胞成為微器官組織芯片最佳的細胞來源。另一方面，人終末功能性細胞的來源一直制約了各類相關研究應用（見圖1）。人誘導性多能干細胞的出現，無疑為該問題的解決提供了直接幫助。通過體外分化，人誘導性多能干細胞能夠分化為各類型終末分化細胞。這些終末分化細胞，既是人來源的細胞，又是具有功能性的終末分化細胞。同時，個性化的人誘導性多能干細胞的制備，又為制備患者特異的具有特定突變的疾病模型微器官提供了可能。
圖1 人誘導性多能行干細胞（hiPSC）分化得到的各類細胞可作為微器官芯片開發最佳的細胞來源
綜上，隨著技術的進步和研究的深入，微器官組織芯片將有望大規模應用于新藥的研發和藥物毒理性測試，取代或部分取代動物模型，并進一步降低成本、縮短周期提高有效性。