近年來，類器官（Organoids）和器官芯片（Organs-on-Chips，OoCs）作為兩種新興的三維細胞培養技術，得到迅速發展，以彌補體外二維培養和動物模型之間的差距，從而推動臨床相關的藥物發現和人類疾病建模。盡管這兩者共享相似的目標，但其方法和實施要求卻各不相同。
據麥姆斯咨詢報道，近期，來自多倫多大學（University of Toronto）的研究人員在Nature Reviews Bioengineering期刊上發表了一篇題為“Integrating organoids and organ-on-a-chip devices”的綜述性論文，首先定義了類器官和器官芯片，強調它們的物理尺度，并討論它們與組織工程和再生醫學領域中開創的技術和概念的關系。然后，重點闡述了目前研究的目標，特別是希望創建一個具有體內樣細胞保真度、流動控制、生物物理刺激和傳感器集成的優越培養系統。最后，提供了對新進入從業人員的建議以及對經驗豐富的研究人員的建議，以推動這一領域向更好的可轉化性發展。類器官（organoids）和器官芯片（OoCs）文章首先詳細介紹了類器官和器官芯片作為先進的3D細胞培養技術在藥物開發、疾病建模以及組織工程和再生醫學中的應用和發展歷程。類器官是一種自組織結構，通常由人類多能或成體干細胞擴展、分化和形態生成而來。其包含多種細胞類型和與特定器官區域相似的細胞結構和功能特征，在形態生成和復雜的多細胞組織結構方面具有優勢，但缺乏與其他器官和組織區隔的系統性互動，常常沒有可灌注的血管和免疫系統。為克服某些限制，研究人員已經開發了組合體（assembloids），希望通過融合不同類型的類器官形成自組織細胞系統。
器官芯片支持細胞組裝成類似組織結構的工程化或微加工培養系統，可測量模擬器官的功能特征。雖然不完全再現整個器官，但器官芯片系統能夠提供更精確的3D細胞培養，以模擬一個或多個組織的生理反應。器官芯片平臺具有多個共同特征，包括整合多種細胞類型，使用膜或柱陣列促進營養物質和氧氣的運輸，以及通過組織固定來控制幾何形狀和多軸拉伸。此外，器官芯片系統可能在單一設備中結合多個組織，提供對器官級互動和生理的洞察，但這些系統并不總能完全捕捉治療的系統性反應，且實現起來成本高且需要專業技術。
類器官、組合體和器官芯片是模擬目標組織生物過程的先進3D細胞培養技術，但仍然缺乏適當的血管化、藥代動力學和藥效學的常規評估、藥物耐受機制的識別及非靶向效應。這些系統操作的尺度通常在幾百微米到約1厘米之間，通常再現負責器官關鍵功能的組織成分。器官芯片和類器官是可用于組織工程和再生醫學應用的體外方法。組織工程是細胞、生物材料支架和生物反應器的集成使用，以創建可以探測疾病病因、藥物療效和發育機制并替代或增強本體組織結構的組織。再生醫學側重于使用多能或成體人類干細胞、其后代和相關技術（如基因編輯）來替代、再生和功能性恢復因年齡、疾病、事故或先天缺陷損壞的組織和器官。
類器官和器官芯片系統中的主要方法
（1）整合的動機。整合類器官和器官芯片旨在結合兩者的優勢，克服各自的挑戰。器官芯片的精確幾何和微觀特征有助于引導類器官發育，提高一致性和成熟度，并通過內置傳感器實現現場功能讀數。類器官提供復雜的細胞組成，增強器官芯片的功能。（2）整合的優勢。結構支持和細胞一致性：器官芯片提供細胞結構支持，類器官在細胞保真度和結構相關性上更接近人類組織；流動控制和傳感器整合：器官芯片能控制流動并結合多種傳感器，培養可重復性高于類器官。培養可重復性：器官芯片培養的可重復性優于類器官，后者常因壞死核心形成和批次間變異性而受到限制。（3）整合的挑戰。培養環境：類器官在器官芯片中的整合需要控制其生長，可能影響其特性和細胞譜系的確定。成像和藥物分布：類器官更兼容藥物研發管道，成像更容易，但難以捕捉藥物在體內的分布和擴散。（4）輸出和測量。類器官和器官芯片都適用于標準技術，如免疫熒光染色、“組學”分析和電場電位記錄。器官芯片通過控制流動，提供更精確的功能測量。
類器官與器官芯片集成的多孔板裝置的發展時間線和示例
類器官與器官芯片系統集成的進展和挑戰
該綜述突出了在各種器官模型中整合器官樣體與器官芯片系統的進展和挑戰，強調了生理相關性和疾病建模能力方面的進展。整合器官樣體和器官芯片系統能夠實現更高的模型復雜性。這種整合相比單一方法具有優勢，但選擇取決于生物學問題。器官樣體保留了組織結構，但缺乏血管化和蠕動運動，這些方面被器官芯片捕捉到。像iFlow板和PDMS膜器件這樣的整合系統增強了生理相關性，模擬了免疫招募和蠕動運動。在復制完整器官生理學和整合額外細胞類型方面仍面臨挑戰。腸道器官樣體模仿原生結構，但缺乏血管化和腔內訪問。器官芯片裝置改善了屏障功能研究，并模擬了蠕動運動，這對于模擬炎癥和感染動態至關重要。腎臟器官樣體復制腎單位結構，但缺乏成熟血管。具有灌流芯片的器官芯片增強了跨上皮運輸和藥物吸收，對疾病建模和藥物測試至關重要。肺部器官樣體發育出類似氣道的結構，但需要長期培養以進行分支形態發生。肺芯片模型模擬肺泡-毛細血管相互作用，對研究呼吸系統疾病至關重要。肝芯片系統模擬代謝功能和疾病機制。器官樣體整合增強了肝細胞功能和膽管形成，但在復制竇oidal內皮細胞功能和空間異質性方面面臨挑戰。胰腺芯片模型有助于研究囊性纖維化和糖尿病等胰腺疾病，實現胰島素分泌和藥物反應的功能評估。大腦器官樣體和組裝體模擬大腦發育和疾病機制，但缺乏血管化。大腦芯片設備模擬血腦屏障功能和神經活動，推動藥物篩選和疾病建模。心臟器官樣體和心臟芯片系統模擬心臟發育和疾病，但在完全復制心室方面存在困難。整合到器官芯片中的腫瘤器官樣體增強了腫瘤侵襲研究和藥物測試，但在復制復雜腫瘤微環境方面仍然面臨挑戰。多器官系統使用組合體和器官芯片方法形成。組合體如皮質-紋狀體組合體用于研究染色體22q13.3缺失對鈣活性的影響。最近，研究人員還嘗試在微流控系統中結合腦-脊髓組合體以監測神經信號傳輸。組合體適合模擬身體內緊密相鄰的組織，例如包含外層肌肉層和內層上皮層的膀胱組合體可增強組織成熟性。相比之下，器官芯片在模擬遠距離器官的相互作用時更有用。例如，一個無泵多器官芯片系統可預測肝臟、腫瘤和心臟系統中的藥物效力和代謝轉化，同時在不同區域之間循環無血清介質。然而，要模擬真正的器官-器官相互作用，需要具備功能性血管系統進行通訊，這是器官芯片面臨的最大挑戰之一。此外，多器官系統中不同器官樣體和組織所需分化培養基的差異也是一個重要障礙。血管化是類器官和器官芯片的重要挑戰。氧氣在組織中的擴散極限約為100微米，超過此值會導致營養和氧氣供應不足，造成壞死。血管化對于類器官的旁分泌通信、機械刺激、組織成熟、內皮屏障功能和多類器官系統的通信至關重要。體外血管工程有兩種主要方法：自組裝和空腔通道制造。自組裝方法將內皮細胞和支持細胞混合在水凝膠中，形成含管腔的血管網絡，支持細胞通過分泌關鍵細胞因子促進這一過程。空腔通道制造方法則是在水凝膠或聚合物中制造空腔通道，然后進行內皮細胞播種。該方法難以控制直徑，通常適用于較大血管。微流控裝置可以幫助控制血流。天然水凝膠易于形成血管腔，但機械性能較弱，容易塌陷。合成聚合物強度高，但滲透性不足。AngioChip通過在聚合物上壓制微孔，實現了血管和實質性區域的通信。血管化類器官面臨的主要障礙是培養基不匹配，類器官和支持血管形成的培養基不同。盡管血管化類器官有潛力，但實現這一目標仍面臨許多技術挑戰。實施集成方法的難度取決于研究人員的技能。熟悉類器官的研究人員可以使用現成的開放式器官芯片系統，而熟悉器官芯片的研究人員可以使用商業化的類器官分化套件。初學者應先分別使用每種方法的商業系統，再嘗試集成。集成方法需要開發控制類器官形狀和大小的生物材料，并解決類器官分化階段放入器官芯片設備的挑戰。應用物理刺激（如電、機械、流動等）可提高系統的生理復雜度。血管化是所有領域的挑戰，目標是創建穩定、可尋址和可灌注的血管網絡。將不同輸入和輸出連接到正確細胞類型也是一大挑戰。更復雜的模型更難應用于工業實踐，需要整合到自動化細胞培養和表征工作流程中，以提高一致性、可重復性和效率。處理流量也變得更加重要，開放式微流控配置具有更大的可擴展性。在類器官和器官芯片中提取數據是其相比動物模型的基本優勢。當前努力應集中在信息提取上，即可擴展的分析。細胞系和批次間的差異性問題需要解決。報告細胞的性別并設計具有不同性別特征的實驗有助于捕捉性別特異性藥物反應和疾病表現。最后，需要定義通用的驗證和基準標準，以與體內器官進行比較。類器官和器官芯片的快速發展旨在提供更相關的人類模型，集成方法可以捕捉單一方法無法實現的現象。未來需要克服細胞系的差異性和血管化問題，規模化設備生產和人工智能分析方法是必要的，定義適當的驗證標準有助于更廣泛的應用。論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00207-z
延伸閱讀：
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
