類器官虛擬圖

二、傳統(tǒng)類器官模型的局限性
與其他任何模型一樣，類器官的使用也存在局限性和挑戰(zhàn)，包括：

• 培養(yǎng)壽命/壞死核心
• 血管化不足
• 缺乏免疫成分
• 細胞去分化
• 培養(yǎng)變異性和類器官同質(zhì)性
• 檢測靈敏度
• 數(shù)據(jù)輸出深度（更高含量的輸出需要類器官池化）
• 孤立的單器官模型

三、微生理系統(tǒng)的進展
使用類器官時，一個簡單的調(diào)整方法是改用灌注細胞培養(yǎng)，即使用微生理系統(tǒng)（MPS），通過持續(xù)流動培養(yǎng)基來模擬血液流動。

灌注具有多種功能。與血液一樣，灌注可以提供持續(xù)的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，同時清除代謝廢物。這對于類器官的生長和分化尤為重要，因為它們經(jīng)常會遇到生長停滯和壞死核心的問題。克服這一主要限制可以制備更大的組織，從而進行更豐富的數(shù)據(jù)分析。

此外，微流體流動還能提供重要的生物力學信號。例如，血流會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，即組織內(nèi)部的平行摩擦力。通過將微循環(huán)的剪切應(yīng)力引入模型，可以更好地模擬人體生理和生物化學過程。灌注的另一個關(guān)鍵方面是細胞間通訊。灌注會誘導細胞分泌組（例如細胞因子、蛋白質(zhì)和囊泡）的細胞間移動，從而重現(xiàn)與人體內(nèi)類似的條件。

利用微生理系統(tǒng)（MPS）在灌注條件下培養(yǎng)類器官確實可以緩解一些限制，但其有限的壽命仍然限制了其應(yīng)用，尤其是在研究復雜或潛在的藥物效應(yīng)時。此外，它們相對較小的尺寸會影響檢測靈敏度和數(shù)據(jù)輸出的深度。后者可以通過將多個類器官混合來克服，但這會增加每次檢測的成本。

四、下一代類器官長什么樣？
芯片器官培養(yǎng)與類器官不同，前者代表了具有更接近人體空間結(jié)構(gòu)的三維組織。例如，為了支持微組織形成，一些芯片肝臟裝置，如CN Bio公司的PhysioMimix Core和Multichip Liver板（圖1） ，包含帶有膠原蛋白涂層孔隙的支架。

微組織由預(yù)先混合的原代細胞自組裝形成，且相對均勻。微組織在孔隙內(nèi)形成（圖2），留下內(nèi)部腔隙，培養(yǎng)基可通過該腔隙流動，從而模擬肝竇結(jié)構(gòu)并避免壞死核心問題。

圖1：CN Bio的PhysioMimix Core和肝芯片板（MPS-LC12），圖中放大展示了灌注液如何在每個芯片周圍循環(huán)。另有包含 4 倍芯片數(shù)量的肝臟-48 板（MPS-LC48）可供選擇。

圖2：在支架孔隙中形成的芯片肝臟組織。圖片來源：CN Bio公司的Emily Richardson博士。

OOC培養(yǎng)物在灌注的輔助下，能夠維持細胞健康和功能數(shù)周或數(shù)月之久，這比傳統(tǒng)的類器官培養(yǎng)物有了明顯提升，后者通常在幾天或幾周內(nèi)就會失去活力和功能[1,2]。這些模型壽命的延長使得研究藥物的長期慢性暴露以及更復雜的生物相互作用的長期研究成為可能[ 3]。

生理相關(guān)性是限制某些類器官應(yīng)用的關(guān)鍵障礙，尤其是在肺等屏障器官方面。從結(jié)構(gòu)上看，肺氣道由假復層上皮構(gòu)成，其頂端在呼吸過程中暴露于空氣中。類器官通常在培養(yǎng)基或凝膠中浸泡培養(yǎng)以促進其形成，因此，盡管已開發(fā)出頂端朝內(nèi)或頂端朝外的肺類器官，但它們無法模擬 體內(nèi)環(huán)境。因此，類器官在感染、環(huán)境研究和藥物開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，因為進入肺部的主要途徑——氣溶膠化和吸入——無法實現(xiàn)。此外，纖毛擺動頻率和黏液分泌等關(guān)鍵肺功能指標也無法被充分理解。利用體外培養(yǎng)技術(shù)（OOC）（圖3），研究人員可以構(gòu)建更具生理相關(guān)性的屏障模型（圖4），從而實現(xiàn)上皮細胞同時暴露于空氣和下方培養(yǎng)基灌注[4, 5]。

圖3：屏障板（貨號：MPS-T12），放大圖展示了灌注液如何在Transwell插入物周圍循環(huán)。
 

圖4：支氣管肺芯片組織在氣液界面培養(yǎng) 7 天后，可見支氣管細胞在膜的頂端形成假復層上皮，內(nèi)皮細胞在膜的基底外側(cè)形成內(nèi)皮。組織經(jīng)阿利新藍染色以突出顯示黏液的產(chǎn)生。圖片來源：CN Bio的Emily Richardson博士。

OOC生成的相對較大的組織具有高度功能性，能夠提供臨床相關(guān)的終點指標、毒性輸出生物標志物以及與人體相關(guān)的代謝，從而使數(shù)據(jù)能夠與 體內(nèi) 或臨床情況進行比較[6]。這些指標在體外檢測一直非常困難 ，但更大規(guī)模的芯片器官微組織提高了檢測靈敏度，使得更復雜的臨床化學指標（例如天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶 (AST) 和丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶 (ALT)）以及由I期和II期代謝物引起的更細微的毒性均可被檢測到[7]。Nitsche等人的一項有趣研究探索了不同配置的肝臟微生理系統(tǒng) (MPS) 在模擬膽汁淤積化學效應(yīng)方面的潛力。他們的研究結(jié)果表明，在灌注類器官培養(yǎng)中可以檢測到膽汁酸合成，但其水平較低；然而，當應(yīng)用測試化合物時，這些培養(yǎng)物未能重現(xiàn)膽汁淤積損傷生物標志物。相比之下，原代人肝細胞芯片肝臟微組織（由 PhysioMimix MPS 培養(yǎng)）對所有三種測試化合物均有反應(yīng)，表現(xiàn)為膽汁酸釋放減少，這是膽汁淤積損傷的生物標志物[8]。

此外，更大的微組織培養(yǎng)能夠從每個組織（而不是類器官池）中獲得更深入的機制見解，包括可溶性細胞健康和功能標記，以及挖掘組織以獲取數(shù)據(jù)豐富的終點，例如高內(nèi)涵成像和組學分析[9,10]。

通過將器官模型進行流體連接，可以進一步增強基于器官外吸收（OOC）的檢測方法與人體的相關(guān)性。例如，將肝臟組織與其他“進入途徑”器官（腸道或肺，圖 5）連接起來，可以研究活性代謝物驅(qū)動的毒性，以及評估藥物的吸收、代謝[11]和重要的生物利用度[12]。

圖5：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)。

免疫功能是類器官的另一項關(guān)鍵局限性，可以通過在類器官中培養(yǎng)組織駐留免疫細胞和外周免疫細胞來增強免疫功能，其中外周免疫細胞通過培養(yǎng)基灌注循環(huán)。這種免疫系統(tǒng)的模擬使科學家能夠揭示免疫介導的毒性問題，誘發(fā)具有炎癥成分的常見疾病，例如代謝功能障礙相關(guān)性肝�。∕ASH[6]），或模擬人類對感染的反應(yīng)，例如COVID-19[5]或乙型肝炎[2]，而這些感染不太適合使用動物模型。

圖：器官芯片與2D、3D、動物模型的優(yōu)勢對比

五、結(jié)論和建議
總之，類器官是一種強大的體外工具，與傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)和動物模型相比，它能夠顯zhu提高藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)流程的人體相關(guān)性（表1）。然而，類器官的局限性促使人們開發(fā)出更復雜的細胞培養(yǎng)方法，例如類器官培養(yǎng)（OOC），這些方法能夠更準確地模擬人體生理的關(guān)鍵方面。

將類器官與OOC結(jié)合使用，能夠幫助我們進一步推進工作流程，發(fā)現(xiàn)更深層次的機制信息，以及更復雜、更潛在的效應(yīng)，而這些效應(yīng)在其他方法中可能被忽略�？偠�言之，這些方法為克服動物模型的跨物種局限性、彌合臨床前數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)之間的差距提供了一條途徑，同時也有助于推動監(jiān)管機構(gòu)減少和最終取代藥物開發(fā)中的動物實驗。

曼博生物（MineBio）：CN Bio 正式授權(quán)的中國提供商
作為中國器官芯片領(lǐng)域的專業(yè)服務(wù)者與資源整合方，曼博生物專注于連接國際前沿技術(shù)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(shù)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(quán)威機構(gòu)驗證且應(yīng)用互補的器官芯片技術(shù)，我們提供從技術(shù)適配、產(chǎn)品供應(yīng)到場景化應(yīng)用支持的綜合服務(wù)，助力中國生物醫(yī)藥企業(yè)、科研機構(gòu)及相關(guān)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(lǐng)域的實踐應(yīng)用。

擴展閱讀
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

參考
[1]Rubiano et al., Characterizing the reproducibility in using a liver microphysiological system for assaying drug toxicity, metabolism, and accumulation. Clin Transl Sci, 2021.

[2]Ortega-Prieto et al., 3D microfluidic liver cultures as a physiological preclinical tool for hepatitis B virus infection. Nat Commun, 2018.

[3]Long et al., Modeling therapeutic antibody small molecule drug-drug interactions using a three-dimensional perfusable liver coculture platform. Drug Metab Dispos, 2016.

[4]Phan et al., Advanced pathophysiology mimicking lung models for accelerated drug discovery, Biomat Res. 2023.

[5]Caygill et al., Dynamic Culture Improves the Predictive Power of Bronchial and Alveolar Airway Models of SARS-CoV-2 Infection bioRxiv, 2025.

[6]Kostrzewski et al., A microphysiological system for studying nonalcoholic steatohepatitis. Hepatol Commun., 2019.

[7]Rowe et al., Perfused human hepatocyte microtissues identify reactive metabolite-forming and mitochondria-perturbing hepatotoxins. Tox In Vitro, 2018.

[8]Nitsche et al., Exploring the potential of liver microphysiological systems of varied configurations to model cholestatic chemical effects. Arch Toxicol (2025).

[9]Gallager et al., Normalization of organ-on-a-Chip samples for mass spectrometry based proteomics and metabolomics via Dansylation-based assay. Tox In Vitro, 2023.

[10]Novac et al., Human liver microphysiological system for assessing drug-induced liver toxicity in vitro. JoVE, 2022.

[11]Milani et al., Application of a gut-liver-on-a-chip device and mechanistic modelling to the quantitative in vitro pharmacokinetic study of mycophenolate mofetil. Lab Chip, 2022.

[12]Abbas et al., A primary human Gut/Liver microphysiological system to estimate human oral bioavailability. Drug Metab Dispos, 2025.