芯片器官技術(shù)逐步趨近智能化，不需侵入性就能反映細(xì)胞的健康、電活動(dòng)和分化狀態(tài)

人類芯片上的器官技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)讓人欣慰的水平，不需要侵入性就可以反映細(xì)胞的健康、電活動(dòng)和分化狀態(tài)。

芯片器官的出現(xiàn)使得科學(xué)研究發(fā)生了非常大的變化，作為一個(gè)強(qiáng)大的工具，芯片器官允許科研人員以一種前所未有的方式研究人類組織和器官的生理情況。通過(guò)模擬正常的血液流動(dòng)、機(jī)械微環(huán)境，以及不同的組織在活的器官內(nèi)如何相互作用。相比于其他的體外方法，它們提供了一個(gè)更加系統(tǒng)化的途徑來(lái)測(cè)試藥物，最終有望幫助取代動(dòng)物試驗(yàn)。

在幾周的時(shí)間里，人類細(xì)胞在芯片上生長(zhǎng)成為完全分化的，有功能的組織，例如模擬肺部和腸道的芯片器官，而研究人員還在尋求如何理解藥物、毒素以及其他干擾是如何改變組織的結(jié)構(gòu)和功能的。由Don Ingber領(lǐng)導(dǎo)的來(lái)自威斯研究所的團(tuán)隊(duì)正在尋求一種方式，如何長(zhǎng)時(shí)間非侵入性的監(jiān)測(cè)培養(yǎng)在那些微流體裝置內(nèi)細(xì)胞的健康和成熟情況。這與測(cè)量芯片器官內(nèi)細(xì)胞的電功能變化非常不同，例如大腦神經(jīng)細(xì)胞或者心臟的心肌細(xì)胞，無(wú)論是正處于分化過(guò)程還是正在響應(yīng)藥物，它們的電活動(dòng)都非常的活躍。

現(xiàn)在，Ingber團(tuán)隊(duì)同威斯核心學(xué)院成員Kit Parker的團(tuán)隊(duì)合作，共同致力于為這些難題尋求解決方案，通過(guò)帶有嵌入式電極的器官芯片可以精確地、連續(xù)地檢測(cè)跨上皮電阻（TEER）。TEER廣泛的被用于衡量組織的健康和分化情況，以及實(shí)時(shí)的評(píng)估活細(xì)胞電活動(dòng)，如心臟芯片模型中那樣。

“這些電活動(dòng)芯片器官可以幫助打開一扇窗，讓我們了解人類細(xì)胞和組織在器官環(huán)境中如何行使功能，而不需要進(jìn)入人體或者從芯片上將細(xì)胞取出，”Ingber說(shuō)，“我們現(xiàn)在開始實(shí)時(shí)研究在感染、輻射、藥物暴露乃至于營(yíng)養(yǎng)不良條件下，不同的組織屏障是如何損傷的，以及它們是在何時(shí)、如何響應(yīng)重建治療而愈合的。”

TEER測(cè)量往往用于對(duì)電極之間或者跨組織－組織界面（由器官特異性上皮或者內(nèi)皮組成，是很多機(jī)構(gòu)人類器官芯片的核心元件）的離子流進(jìn)行定量。形成組織層的上皮細(xì)胞囊括了從我們的皮膚到很多內(nèi)部器官的內(nèi)表面。上皮細(xì)胞排列成了緊密的血管和毛細(xì)血管，并支撐它們的功能。這些細(xì)胞層作為一道對(duì)小分子和離子的屏障，起到保護(hù)器官和支持特異化功能的作用，例如腸道的吸收或者腎臟的選擇性過(guò)濾尿液。反之，藥物毒性、感染、炎癥以及其他有害刺激可以破壞這些屏障。TEER測(cè)量就是基于對(duì)離子通道或電阻的限制，因此可以用于評(píng)估這些細(xì)胞層基礎(chǔ)功能的完整性，以及由藥物或則其他毒劑觸發(fā)的損傷反應(yīng)。

“使用一個(gè)新的逐層制作工藝，我們開發(fā)了一個(gè)微流體環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，TEER測(cè)量電極是芯片架構(gòu)的組成部分，并且置于盡可能靠近單通道或者平行的雙通道中組織生長(zhǎng)的位置”，威斯學(xué)院工程師Olivier Henry博士說(shuō)，他在芯片設(shè)計(jì)方面做了很多推動(dòng)工作。“與過(guò)去的電極設(shè)計(jì)相比，這種固定幾何結(jié)構(gòu)允許精確測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)之間實(shí)現(xiàn)可比較性，并且這樣可以準(zhǔn)確的告訴我們，類似肺或者腸道這樣有通道的組織是如何保持形態(tài)的，以及在藥物和其他操作的影響下如何瓦解的。”

威斯團(tuán)隊(duì)的TEER側(cè)量器官芯片設(shè)計(jì)發(fā)表在了《Lab on a chip》上。Kit Parker指出，“未來(lái)芯片器官是儀器芯片：這個(gè)想法是讓實(shí)驗(yàn)人員從數(shù)據(jù)收集工作中解放出來(lái)。模擬器官的連續(xù)數(shù)據(jù)收集關(guān)閉正是我們所需要的，允許我們更加有效和安全的測(cè)量長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中的藥物。”

器官芯片更加強(qiáng)大，我們向前邁進(jìn)了一大步。