器官芯片技術與傳統(tǒng)2D細胞培養(yǎng)和動物模型的比較與優(yōu)勢
長期以來，藥物發(fā)現(xiàn)一直依賴于二維（2D）細胞培養(yǎng)模型和動物實驗，但這些傳統(tǒng)方法在預測人體對藥物的反應方面存在嚴重局限。平面、靜態(tài)的體外細胞培養(yǎng)無法再現(xiàn)人體生物學的復雜性，而動物模型則常因物種間在代謝和生理上的特異性差異而產(chǎn)生誤導性結果。
在此背景下，器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）技術——亦稱微生理系統(tǒng)
（MicrophysiologicalSystems, MPS）——應運而生。這項突破性技術通過構建動態(tài)、灌注式的三維組織模型，提供更具人體相關性的數(shù)據(jù)。OOC不僅能模擬器官層面的功能，還可實現(xiàn)多器官互聯(lián)，正在深刻變革藥物開發(fā)、毒理學評估和疾病建模領域，并為監(jiān)管機構所認可的新方法學（New Approach Methodologies, NAMs）鋪平道路。在近期一次 SelectScience專訪中，CN Bio公司CSO Thomas Kostrzewski博士分享了他的專業(yè)見解。上海曼博生物可提供器官芯片/類器官相關技術支持，如有需要歡迎點擊咨詢。
圖1.CN Bio 的CSO Kostrzewski博士,Kostrzewski 博士在分子和細胞生物學研究領域擁有超過 15 年的經(jīng)驗，自2023年以來一直擔任 CN Bio 的首席科學官。
問題一：傳統(tǒng)2D細胞培養(yǎng)和動物模型有哪些局限性？而器官芯片（OOC）技術旨在解決這些局限性。傳統(tǒng)上，藥物發(fā)現(xiàn)測試所使用的設備、工作流程和方法都是圍繞簡單的靜態(tài)二維（2D）細胞培養(yǎng)體系進行優(yōu)化的——即在平面微孔板表面培養(yǎng)細胞。然而，人體生物學既非平面，也非簡單或靜態(tài)。盡管2D培養(yǎng)具有操作便捷和易于放大的優(yōu)勢，但其在預測更復雜、潛伏性的藥物反應或揭示藥物作用機制方面存在明顯局限。典型的2D體外細胞培養(yǎng)通常僅評估單一的表型讀數(shù)，而非全面、系統(tǒng)地考察細胞在藥物作用下的整體響應。
近一個世紀以來，動物實驗一直是藥物研發(fā)的核心支柱，但其局限性日益凸顯。每年有數(shù)十億美元投入藥物發(fā)現(xiàn)領域，然而大多數(shù)候選藥物最終未能上市，主要原因在于物種間的固有差異導致對人類藥物反應的預測失準。例如，嚙齒類動物的基礎代謝特征與人類截然不同，且表達一系列不同的關鍵代謝酶。隨著新型藥物模式（如基因療法、抗體藥物、RNA靶向藥物等）的大量涌現(xiàn)，這一問題愈發(fā)嚴重——這些新藥往往依賴于人類特有的作用機制，而動物模型不僅缺乏相應的人源靶點，甚至在動物組織中根本不存在這些靶點，使得動物實驗更加不適用。
器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）技術，又稱微生理系統(tǒng)（Microphysiological Systems, MPS），通過構建三維（3D）的器官或組織仿生模型，并引入流體灌注以模擬血液循環(huán)，從而更真實地再現(xiàn)人體微環(huán)境。已有大量研究表明，這類在實驗室中培養(yǎng)的仿生模型在功能表現(xiàn)和藥物響應方面更具人類預測性。此外，多個器官芯片還可相互連接，用于模擬諸如藥物吸收與代謝等全身性過程，從而更準確地預測藥物的生物利用度；或用于研究器官間的相互作用（如炎癥反應），這些相互作用往往是疾病進展和意外毒性的關鍵驅動因素。
問題二：你們動態(tài)灌注環(huán)境提供了哪些靜態(tài) 3D 類器官無法提供的關鍵生理功能？
器官芯片（OOC）所提供的動態(tài)灌注環(huán)境具備多項靜態(tài)3D類器官無法實現(xiàn)的關鍵功能。其中最重要的包括：更長的培養(yǎng)壽命（OOC可維持長達4周，支持對藥物長期慢性暴露效應的研究，以及更復雜的生物學相互作用的長期觀察）、免疫組分的整合能力、更高的檢測靈敏度，以及將多個器官連接構建多器官系統(tǒng)的能力。
盡管3D類器官可用于某些前沿的細胞培養(yǎng)研究，但它們無法像OOC那樣真實再現(xiàn)人體組織的生理相關性和空間結構，對于肺等屏障型器官而言更是如此——在人體中，肺上皮的頂端在呼吸過程中直接接觸空氣，而這一關鍵特征在傳統(tǒng)類器官模型中難以模擬。
因此，類器官在感染、環(huán)境毒理學和藥物開發(fā)等研究領域應用受限，因為肺部最主要的暴露途徑——氣溶膠化與吸入——無法在類器官系統(tǒng)中實現(xiàn)。此外，一些關鍵的肺功能終點指標，如纖毛擺動頻率和黏液分泌，也無法在類器官中得到充分評估。而利用OOC技術，研究人員能夠構建更具生理相關性的屏障模型，實現(xiàn)上皮頂端暴露于空氣的同時，基底側接受培養(yǎng)基的持續(xù)灌注[1,2]。
在檢測靈敏度方面，Nitsche等人的一項有趣研究比較了不同構型的肝臟模型（包括2D培養(yǎng)和灌注式類器官培養(yǎng)）在模擬膽汁淤積性化學毒性方面的潛力[3]。研究發(fā)現(xiàn)，類器官培養(yǎng)中雖可檢測到膽汁酸合成，但水平較低；更重要的是，在施加測試化合物后，類器官未能重現(xiàn)膽汁淤積性損傷的典型生物標志物。相比之下，基于原代人肝細胞的肝芯片微組織對三種測試化合物均產(chǎn)生響應，表現(xiàn)為膽汁酸釋放明顯減少——這正是膽汁淤積性肝損傷的關鍵生物標志物。
此外，類器官的另一大局限在于缺乏免疫活性。而OOC模型可通過整合組織駐留免疫細胞和外周免疫細胞來克服這一缺陷，后者可借助培養(yǎng)基的動態(tài)灌注在系統(tǒng)中循環(huán)。這種對免疫系統(tǒng)的有效模擬，使科學家能夠揭示免疫介導的毒性問題，誘導具有炎癥成分的常見疾病（如代謝功能障礙相關脂肪性肝炎，MASH），或構建更適合研究人類感染反應的模型——在這些場景中，動物模型往往并不適用。
問題三：使用您的 OOC 系統(tǒng)，哪種特定疾病或毒性模型在人類預測能力方面表現(xiàn)出最大的提升？
我們觀察到兩個需求旺盛的研究方向。其一是代謝功能障礙相關脂肪性肝炎（MASH）的建模。人類代謝性疾病通常具有高度復雜性、多因素性，研究難度很大。過去，研究人員只能在兩類模型之間做出妥協(xié)：動物模型無法充分反映人類肝臟的代謝特征，而簡單的細胞培養(yǎng)又缺乏真實器官或組織所具備的復雜性。
2023年，我們的MASH模型成功支持了一種新型候選藥物的表征，推動Inipharm公司啟動其候選藥物INI-822的I期臨床試驗。這一里程碑事件標志著器官芯片（OOC）數(shù)據(jù)首次被用于支持針對一種高發(fā)病率、高復雜性的代謝性肝病藥物進入臨床階段——而目前針對該疾病的有效治療選擇極為有限。
另一個正在興起的重要方向是肺部及肺部疾病的建模。眾所周知，呼吸系統(tǒng)疾病是全球第二大死因，而現(xiàn)有療法大多僅為對癥支持治療。在過去40年中，由于缺乏可靠的體外模型和合適的動物模型，真正意義上的新型呼吸系統(tǒng)治療藥物寥寥無幾。傳統(tǒng)的體外模型生理相關性有限，而動物模型在解剖結構、免疫反應及炎癥應答等方面與人類存在明顯差異，難以準確模擬人類肺部疾病。
問題四：您的技術能夠連接多個器官，這將如何從根本上改變藥物吸收和代謝 (ADME) 的研究？
傳統(tǒng)上，體外吸收和通透性數(shù)據(jù)通常通過Caco-2模型獲得，并結合使用懸浮肝細胞進行體外肝臟清除率測定。然而，這種方法無法充分反映藥物在腸道吸收并經(jīng)代謝后的真實藥代動力學過程，因而難以準確估算最終到達肝臟的藥物比例。因此，采用孤立的單一檢測方法在評估藥物生物利用度時存在明顯的知識空白。
圖2.雙器官芯片板（貨號：MPS-TL6），放大圖展示了灌注液如何圍繞屏障和肝臟隔室循環(huán)。
我們的PhysioMimix多器官腸-肝模型獨具優(yōu)勢，能夠在同一個相互連接、完全基于原代人源組織的系統(tǒng)中，同時研究腸道吸收與肝臟清除過程。因此，在Caco-2研究的基礎上補充采用我們的方法，可全面揭示人體腸道與肝臟的聯(lián)合作用，從而在體外更準確地預測口服藥物的生物利用度。此外，Caco-2細胞模型在處理前藥（pro-drugs）時存在局限性，因其表達的羧酸酯酶1和2（CES1和CES2）水平與人體腸道中這些關鍵酶的實際表達情況并不相符。
問題五：隨著立法和倫理壓力不斷增加，要求逐步淘汰動物試驗，OOC 技術如何定位為一種可行且與人類相關的新方法論 (NAM)？
器官芯片（OOC）技術不僅是一種符合倫理的替代方案，更是一種獲得監(jiān)管機構認可的方法。已有研究證明，其在彌合藥物開發(fā)中轉化醫(yī)學鴻溝方面具有科學上的優(yōu)越性。
盡管在驗證、標準化和數(shù)據(jù)共享等方面仍存在挑戰(zhàn)，尚需進一步努力以徹底消除采用障礙，但立法支持、FDA的資格認定項目、行業(yè)主導的驗證研究，以及與計算機模擬（in silico）工具的整合），共同將OOC置于新方法學（NAM）革命的核心位置，使其成為推動這一變革的關鍵賦能技術。
問題六：監(jiān)管機構目前在多大程度上接受 OOC 數(shù)據(jù)？CN Bio 如何為wider行業(yè)采用所需的標準化做出貢獻？
CN Bio一直并持續(xù)積極參與眾多聯(lián)盟、工作組和網(wǎng)絡，這些組織正積極推動變革，以促進微生理系統(tǒng)（MPS）在行業(yè)內(nèi)的更多應用。其中包括與美國國家衛(wèi)生研究院基金會（FNIH）、跨部門替代方法驗證協(xié)調(diào)委員會（ICCVAM）以及關鍵路徑研究所（C-Path）等機構開展的直接或間接合作。這些機構與美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）協(xié)作，通過整合美國政府及其他相關機構的專業(yè)知識、數(shù)據(jù)和資源，促進跨部門協(xié)調(diào)，加速監(jiān)管科學的發(fā)展進程。
其中一個典型案例是由“3R協(xié)作組織”（3Rs Collaborative, 3RsC）牽頭的一項正在進行的項目。該項目匯聚了監(jiān)管機構、技術提供商、終端用戶以及非營利組織，共同推動MPS在監(jiān)管應用場景中的負責任使用。
作為該項目的一部分，CN Bio與3RsC、FDA 藥品審評與研究中心（CDER）、9家商業(yè)技術提供商、1 家終端用戶、美國國立衛(wèi)生研究院下屬的跨部門替代方法評估與轉化中心（NIH-NICEATM）以及C-Path攜手合作，啟動了一項旨在評估肝臟 MPS 模型檢測藥物性肝損傷（DILI）能力的研究。該項目的目標是采用統(tǒng)一的實驗方案，在多個間評估模型表現(xiàn)的一致性，從而增強對這些模型準確性、可靠性及標準化表征的信心。該研究結果預計將于2026年初正式發(fā)表。
問題七：在當前的科研環(huán)境下，為什么科學領域的同行交流如此重要？
同行之間的交流對于推動科學發(fā)展很重要，因為它能加速建立信任、促進知識傳遞，并加強協(xié)作解決問題的能力。在器官芯片（OOC）領域，今年監(jiān)管政策的變革步伐已大幅加快，以至于跟上這一節(jié)奏正逐漸成為一項共同使命！盡管如今的問題已不再是“是否”會最終取代動物實驗，而是“何時”實現(xiàn)，但要促使仍持懷疑態(tài)度的人邁出下一步，仍需社會認同（social proof）的支持。
共享的案例研究和驗證數(shù)據(jù)能夠展示技術的可靠性，而可重復性則有助于增強監(jiān)管機構的信心，加速標準化進程與實踐的建立。同時，工程學、生物學和計算建模等跨學科的協(xié)作將推動創(chuàng)新周期更快地迭代與發(fā)展。
曼博生物（MineBio）：CN Bio 正式授權的中國代理商
作為中國器官芯片領域的專業(yè)服務者與資源整合方，曼博生物專注于連接國際前沿技術與本土產(chǎn)業(yè)需求，致力于彌補國內(nèi)器官芯片行業(yè)在技術標準化與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同中的短板。通過引入經(jīng)全球權威機構驗證且應用互補的器官芯片技術，我們提供從技術適配、產(chǎn)品供應到場景化應用支持的綜合服務，助力中國生物醫(yī)藥企業(yè)、科研機構及相關單位探索更優(yōu)質(zhì)、更符合倫理的藥物研發(fā)路徑，逐步推動器官芯片在藥物開發(fā)、有效性評估、毒性評估等領域的實踐應用。
參考文獻
1.Phan et al., Advanced pathophysiology mimicking lung models for accelerated drug discovery, Biomat Res. 2023.
2.Caygill et al., Dynamic Culture Improves the Predictive Power of Bronchial and Alveolar Airway Models of SARS-CoV-2 Infection bioRxiv, 2025.
3.Nitsche et al., Exploring the potential of liver microphysiological systems of varied configurations to model cholestatic chemical effects. Arch Toxicol (2025).
拓展閱讀
1.CN Bio | 可用于體外寡核苷酸（siRNA和ASO等）遞送檢測方法的器官芯片
2.CN Bio | 利用跨物種肝臟MPS DILI檢測，增強體外到體內(nèi)外推
