为什么我们应该对人体组织芯片感兴趣| 3D细胞培养|康宁

以下文章最初发表于2020年9月20日的《药物发现世界》在这里．

我们对人类生物学的不完全了解和人类实验的有限潜力强调了对人类疾病体外模型的需要。理想情况下，这样的系统将准确地概括疾病的病因和进展，预测对治疗的反应，并作为患者或物种特异性的测试平台。临床前药物测试传统上依赖于动物模型，但是基于细胞的分析(cba)正在承担越来越多的工作量。在这种情况下，分析平台倾向于更大的复杂性和功能，导致体外和体内系统之间更高程度的相似性。

在基于细胞的检测中，二维(2D)培养是最简单的，也可以说是最广泛使用的，其次是多细胞三维球体和类器官。再往前，我们有组织芯片，这篇文章的主题，和人类芯片平台，仍处于早期发展。

附着依赖性细胞的二维培养很容易实现，但它们无法复制影响活组织细胞的化学、机械和生理因素。尤其缺乏的是负责细胞分化、增殖、活力、基因和蛋白质表达、对刺激的反应和药物代谢的细胞间和细胞外相互作用。

三维(3D)细胞培养通过概括细胞在健康和疾病状态下所经历的体内化学、机械和生物条件，为基于细胞的分析增加了深刻的生理学相关性。当从患者来源的细胞中培养时，球状体和类器官也包含受试者的基因组背景，包括对现有或实验药物的相关功效和毒理学反应。因此，3D文化可以提供一刀切的治疗和个性化医疗之间的联系。

个性化医疗或精准医疗(PM)寻求在正确的时间以正确的剂量向正确的患者提供正确的药物。PM包括使用伴随诊断-通常是生化测定-对患者进行临床研究分层，或确定他们是否适合特定治疗。根据美国食品和药物管理局的规定，伴随诊断“为安全有效地使用相应药物或生物制品提供必要的信息”。“一般来说，3D细胞培养，特别是组织芯片，有可能微调分层，包括特定的安全性、有效性和器官间反应。通过增加来自两个或更多体外器官系统的多个读数，组织芯片可以同时解决个性化的进一步问题:为什么有些病人会生病，而有些病人，坦率地说，同样容易生病，却不会生病。

球体是来源于几乎任何组织的简单细胞簇，例如肿瘤活检、胚状体、肝细胞、神经组织或乳腺。球体不需要任何特殊的支架或工程，因为它们通过细胞吸引和粘附自组装。球体也不能复制，这限制了它们的可制造性、大规模筛选的可用性和批次间的一致性。

类器官来源于单个器官特异性干细胞或来自胃、肝、膀胱或其他器官的祖细胞。当在细胞外支架中培养并提供合适的培养基和生长因子时，种子细胞分化成原始组织中通常存在的所有细胞类型，并自组织成可用的结构。

“组织芯片”和“器官芯片”这两个术语通常可以互换使用，但区别是显著的。器官芯片是一种微流体系统，具有可控的动态微环境，其中培养的细胞模拟器官水平的生理。

器官芯片通常包含在聚合物微流控装置中培养的一种或两种细胞类型，以模拟器官的一种特定功能。组织工程师更喜欢用组织芯片这个术语，这种芯片更大，工程化程度更高。组织芯片是通过单独制备其细胞成分，将它们按生理比例组合在一起，并在适用时加入生态位水平的仿生力来构建的。组织芯片包含微流体来连接多个体外器官/组织模型，而这些功能单元是独立的，也可以独立用于器官芯片(以及类器官)。部分原因是与器官芯片或类器官相比，组织芯片更复杂，是一种低通量的测试平台，应该提供更多的生理相关性。

由于组织芯片来源于患者的多能干细胞，因此它是针对患者的，当然也是针对物种的——一个完整的人体模型。通过提供生理学相关读数，组织芯片支持疾病监测、药物反应和个性化医疗。

像其他基于人类细胞的分析一样，组织芯片可以补充经过验证的动物毒理学模型，但与先进的3D类器官不同，它们的功能受到其组成细胞的限制。进一步的功能可能以增加额外的细胞类型和组织原始生态位典型的物理或机械限制的形式引入，这些限制通过传递生物学相关信号来诱导组织成熟。微流体的额外结合使得在生理条件下(包括在相同剂量水平下)研究两个或多个器官功能成为可能。

“盘子里的病人”指的是基于芯片的器官系统，这些系统相互连接，用于组织与组织之间的交流，在这些系统中，单个“器官”同时体验到相同程度的相同刺激。当针对与疾病进展或药物反应相关的所有特征设计时，“碟中病人”系统有助于研究全身性疾病，包括那些影响器官不同或处于不同治疗阶段或疾病状态的疾病。其他因素也可能存在，例如免疫系统细胞赋予对感染的免疫力，或者通过炎症加剧疾病。众所周知，炎症是导致癌症、心脏病、关节炎、病毒感染和许多其他疾病的一个因素。这些全身性疾病尤其难以在体外或动物模型中进行研究，可能从这些基于芯片的技术的发展中获益最多。

复制一个组织的生理状态需要有合适的细胞以合适的比例来实现所需的功能，再加上诱导它们组装成功能器官单位的培养条件，同时促进细胞成熟到适当的表型。

例如，心脏包含多种细胞类型，包括心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞和特定比例的常驻巨噬细胞，它们密集地堆积在一起，承受着压力。由于心脏的机制会影响其对刺激的反应，因此心脏组织芯片应该包含这种应变。植入模仿起搏器细胞活动的电极，可以“训练”心脏组织芯片，使其以人类心脏肌肉所表现出的强度和频率跳动。

类似地，骨组织芯片不仅包含相关的骨细胞，还包含骨组织在举重和行走等日常活动中所经历的刚性支架和机械压缩力。

这个谜题的最后一块涉及细胞成熟。从患者分化的祖细胞中获取的细胞是“年轻的”，缺乏成熟细胞的特征，这些特征使它们容易受到疾病诱因的影响。由于研究人员没有几十年的等待时间，我们的方案包括快速、可靠地使细胞成熟的培养条件。

正如我们从生物工程器官移植的努力中了解到的那样，为离体组织提供功能正常的脉管系统是有问题的。例如，我们还不能在同一个组织芯片上设计出大的通道和发芽的微血管系统。相反，我们的设备包含一个大的内置微流体“动脉”，其中微血管通过血管生成形成连接。

应该强调的是，组织芯片的所有细胞成分，包括微血管，都可以来自单个患者衍生的祖细胞-使其成为实现PM目标的患者特异性模型。

将基于细胞的检测从悬浮细胞调整到2D培养、3D培养，以及“培养皿中患者”系统并不是一项轻松的工作。每一步都包括实验、优化和最重要的验证——所有这些都从核心业务中转移了资源。然而，这些努力在几个层面上得到了回报。

生物相关性是第一个好处，这是二维贴壁细胞培养中主要缺乏的特征。我们知道，与体内系统相比，三维培养的细胞分化和产生代谢物的水平和方式与它们的起源组织相似，而且比二维培养更忠实。因此，基于球体或类器官的三维疾病模型应该更紧密地复制药物筛选或疾病建模中的关键相互作用。类似的优势也可用于细胞生长、基因/蛋白表达和耐药性。

从简单的3D培养到器官芯片和病人芯片的复杂程度的提升提供了多路复用的额外优势，特别是能够在同一实验中，从同一刺激中同时获得来自多种细胞类型(器官芯片)或两个或更多器官系统(人体芯片)的反应读数。在过去，获得这些信息需要多次动物研究或基于细胞的分析。此外，诱导多能干细胞技术允许产生由具有相同遗传特征的多种细胞类型组成的器官和患者芯片。

结合起来，生物相关性和多路复用提供了基于细胞的分析平台，可以设计用于量化相当微妙的反应，例如一个细胞室的细胞死亡和另一个细胞室的药物摄取。此外，一旦设计和验证，3D细胞培养系统甚至患者芯片都可以持续大量生产，几乎可以作为试剂。这将促进科学合作，并可能在一定程度上缓解生命科学中的不可重复性问题。

作为NIH和NCATS组织芯片项目的一部分，我们的团队一直在积极地朝着这些目标努力。在共同努力推动这些技术向前发展以更准确地筛选药物毒性和疾病疗效的指导下，我们的团队专注于展示集成组织芯片模型在概括患者特异性反应方面的预测能力。我们设计了一个毫米级的多组织(心脏、肝脏、骨骼、皮肤、脉管系统)平台，在这个平台上，单个组织在定制设计的腔室中成熟，并通过微流体血管灌注连接在一起。个体组织以各种方式形成，都是为了模仿它们在体内的生物生态位。例如，肝组织是通过将肝细胞和成纤维细胞结合在3D球体中生成的，这可以使用康宁超低附着(ULA)微孔板来完成，并进一步结合成仿生3D水凝胶。皮肤组织是通过将一系列细胞包裹在水凝胶中形成的，水凝胶生长在可渗透的插入物上，例如康宁生命科学公司的Transwell膜，这样它们就可以暴露在空气中气液界面为了使皮肤成熟成层状。为了进一步概括细胞的自然环境，我们引入了巨噬细胞，也通过灌注。使用工程方法，我们可以连接多个组织芯片，以保持这些系统的生物完整性的长期维护。所有细胞都可以从一个单一的，患者来源的诱导多能干细胞中获得，以满足患者的特异性。在该模型中，相互连接的组织显示出对临床观察到的药物反应的预测增加，并提供了患者疾病的系统模型。总的来说，我们才刚刚开始意识到这些组织芯片技术的潜力及其在推进PM方面的效用。

现代组织芯片模型利用微流体、3D细胞培养和患者或物种特异性，将有助于解决动物模型、基于细胞的分析和临床研究中观察到的药物安全性和有效性差异，从而加速药物开发。因此，组织芯片可以作为临床开发光谱两端的体内研究的独特代理。在最早的临床前阶段和第一阶段，人们希望最终的药物失败会发生，组织芯片提供器官功能和物种特异性。在3期和上市后，它们将帮助患者分层进行试验或预测多器官系统的疗效和毒性。

组织芯片不能解决与类人离体模型相关的所有问题。与球体不同，组织芯片专注于重现每个“器官”的选择功能读数，因此多功能分析将需要设计额外的芯片来实现可能尚未表示的其他功能。还要记住，复杂性是一把双刃剑。模型中内置的功能越多，准备它的努力就越大，它被证明是健壮的、可靠的和足够数量的可生产的可能性就越小，并且最终涉及到更多的验证工作。

第21卷，第4期- 2020年秋季

凯西·罗纳德森-布查德博士是纽约市哥伦比亚大学生物医学工程系的副研究科学家。她的研究重点是多能干细胞的多细胞系统工程，包括ipsc衍生的心肌细胞向成熟的、功能性的心脏微组织的高级成熟。Ronaldson-Bouchard博士对整合多种工程组织模型来研究器官间的相互作用感兴趣，并对实现个性化医疗的患者化身模型的发展感兴趣。她曾在Nature, Cell Stem Cell和Cell等期刊上发表论文，并且是TARA Biosystems的联合创始人，这是一家总部位于纽约的初创公司，专注于为药物发现，测试和精确心脏病学设计先进的心脏模型。

参考文献

¹http://www.lifescienceglobal.com/pms/index.php/ijbwi/article/view/94

²https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6040128/

^3.https://www.cell.com/cell -茎cell/fulltext/s1934 - 5909 (20) 30064 - 3 ? _returnURL 3 = https % % 2 f % 2 flinkinghub.elsevier.com % 2 fretrieve % 2 fpii % 2 fs1934590920300643 % 3 fshowall dtrue % 3

⁴https://www.fda.gov/medical-devices/vitro-diagnostics/precision-medicine

⁵https://www.fda.gov/medical-devices/vitro-diagnostics/companion-diagnostics

⁶//www.jakracing.com/worldwide/en/products/life-sciences/resources/stories/at-the-bench/organoid-vs-spheroid-what-is-the-difference.html

⁷https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6336148/

⁸https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5960678/

⁹https://www.nature.com/articles/s42003-020-0973-6

¹⁰https://www.biorxiv.org/content/10.1101/376970v1.full

¹¹https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29499151/