Life Med | 秦建华等发表类器官芯片研究进展综述

生命科学领域的快速发展不断催生新的生物技术和实验模型，以满足当前生物医学研究和药物研发的迫切需求，使人们可以更深入地了解人体健康和疾病过程。类器官是一种新型体外实验模型，主要是指干细胞通过自组织方式形成的复杂3D结构。因其具有来源组织或器官的特定结构和功能，在器官发育学、疾病模拟、精准医学和再生医学等方面具有应用潜力。近几年，尽管类器官研究发展迅速，但现有研究体系在类器官形成的一致性、成熟度、可控性和高通量分析等方面仍面临很多局限和技术挑战，制约其广泛应用。因此，亟需借助工程学和材料学等多学科交叉手段，以推进其基础研究和转化应用。

近日，中国科学院大连化学物理研究所秦建华研究员团队在Life Medicine发表综述文章（Review）: Advances in human organoids-on-chips in biomedical research;  该文章围绕类器官研究面临的主要局限和问题，提出了基于工程学和生物学整合策略，构筑高仿真度体外3D器官模型的指导性策略和解决方案。文中重点介绍了如何将器官芯片技术与类器官结合，实现类器官工程的策略和方法，阐述了基于类器官芯片建立高度生理相关性器官模型的关键要素及其在生物医学领域的研究进展，并对这一新兴方向面临的未来挑战进行了展望。

图1 基于干细胞的类器官芯片构筑策略

依据体内组织器官的发生特点，干细胞微环境（包括各种理化因素）对类器官的发育和形成至关重要，这些因素直接影响和调控干细胞命运分化和自组织过程。目前，类器官培养体系大多依赖于动物源性的细胞外基质（如Matrigel），但这种基质成分不确定，批次差异性大，导致类器官形成过程难以控制，产生类器官的可重复性欠佳。器官芯片是基于反向工程学原理，在体外构建的一种微生理系统，它可以通过模拟体内生物物理和化学因素等复杂组织微环境关键要素，反映人体器官的主要功能特征。因此，将器官芯片技术与类器官结合，可在体外模拟更接近生理特征的组织微环境，指导干细胞行为和类器官形态发生，有望克服现有类器官研究体系的一些局限，以产生具有高保真度的3D器官模型。

图2 类器官芯片及其在生物医学领域应用

本文作者从几个方面探讨了如何利用类器官芯片更好地模拟人体器官的复杂结构功能，主要包括动态3D培养、可控理化微环境、类器官血管化、类器官互作和高通量分析等方面。类器官芯片不仅可以为深入理解器官生理和病理特征提供独特的见解，还可以通过整合多功能分析方法，如生物传感和大数据分析等，有助于多尺度动态监测培养环境和复杂生物学过程以及实现高通量药物筛选，为组织器官修复、疾病治疗和再生医学的发展提供有力的技术支持和保障。类器官芯片作为一种新兴技术，尚处于发展初期，未来，类器官芯片可以与其它先进技术 (如基因编辑、生物材料、人工智能等) 有效集成，以进一步提高类器官模型的准确性和复杂性，进一步拓展其在生物医学领域的应用。当然，这需要不同学科领域研究人员的通力协作和共同努力。

英文全文链接：

https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnad007

引用本文：

Yaqing Wang, Jianhua Qin, Advances in human organoids-on-chips in biomedical research, Life Medicine, 2023;, lnad007, https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnad007