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(xì)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(jìn)展
使用類器官時，一個簡單的調(diào)整方法是改用灌注細(xì)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�？朔�這一主要限制可以制備更大的組織，從而進(jìn)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(xué)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(xué)過程。灌注的另一個關(guān)鍵方面是細(xì)胞間通訊。灌注會誘導(dǎo)細(xì)胞分泌組（例如細(xì)胞因子、蛋白質(zhì)和囊泡）的細(xì)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(fù)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(xì)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(xì)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(fù)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(fù)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(xì)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(xì)胞在膜的頂端形成假復(fù)層上皮，內(nèi)皮細(xì)胞在膜的基底外側(cè)形成內(nèi)皮。組織經(jīng)阿利新藍(lán)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(biāo)、毒性輸出生物標(biāo)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(jìn)行比較[6]。這些指標(biāo)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(fù)雜的臨床化學(xué)指標(biāo)（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(xì)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(xué)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(dāng)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(biāo)志物。相比之下，原代人肝細(xì)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(biāo)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(jī)制見解，包括可溶性細(xì)胞健康和功能標(biāo)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(xué)分析[9,10]。

通過將器官模型進(jìn)行流體連接，可以進(jìn)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(jìn)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(xì)胞和外周免疫細(xì)胞來增強免疫功能，其中外周免疫細(xì)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(xué)家能夠揭示免疫介導(dǎo)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)性肝病（MASH[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(fù)雜的細(xì)胞培養(yǎng)方法，例如類器官培養(yǎng)（OOC），這些方法能夠更準(zhǔn)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(jìn)一步推進(jìn)工作流程，發(fā)現(xiàn)更深層次的機(jī)制信息，以及更復(fù)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。總而言之，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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)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(kuò)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.