微生理系统:方法、应用和机遇

微生理系统(MPS)，也通常被称为芯片上的器官或芯片上的身体技术，近年来获得了相当大的关注。与静态二维细胞培养分析或动物模型相比，它们提供了更相关的生理设置，因为它们更紧密地概括了人类生理以及药物对多个组织的下游影响。MPS技术的发展是由几个领域- 3D细胞培养技术，微流体，组织工程和生物打印-能够创建各种关键组件。在本文中，我们重点介绍了该领域的进展，这些进展有助于MPS的发展，以及关键应用和未来的机会。

朝向一个芯片上的人体

“芯片上有许多器官设备，它们都具有不同的特性，”解释说 Mehmet R. Dokmeci 他是寺崎研究所的副教授。Dokmeci的研究包括开发用于芯片上器官应用的微流控系统和3D生物打印。他在组织工程、纳米级系统和生物传感器设计方面有超过10年的经验。

Dokmeci利用他的第一手经验开发 liver-on-a-chip平台 提供构建MPS所需的各种组件的示例:“[该设备]将需要一个泵(注射器或蠕动泵来移动液体)，一个微流控设备(也可以称为微生物反应器)，然后将生物材料中的细胞或细胞放入微流控芯片中。”Dokmeci及其同事创建了这个平台，以支持生物打印肝脏的长期培养 球状体 -细胞的球形聚集体-作为药物毒性测试的工具。该设备的生物反应器组件被设计成能够与生物打印机连接，以制造封装在水凝胶中的肝球体。

从芯片器官到芯片身体的转变

在一项单独的研究中，发表在 PNAS ， Dokmeci和他的同事 描述了他们开发多传感器集成多器官芯片平台的工作，以满足对MPS日益增长的兴趣和需求。

“动物模型，即使是目前的黄金标准，也无法捕捉人类的生理机能。因此，许多候选药物在临床中失败了。”

- Mehmet R. Dokmeci

该团队设计的平台包括实时传感器，即生物物理和生化参数 可以被监控原位．它由一个中央流量控制面包板组成，连接到各种“模块”，如微生物反应器，以容纳各种类器官，一个水库，气泡陷阱，物理传感器和电化学生物传感器。动态设置意味着可以在需要时替换单个模块，而无需拆卸整个平台。

然而，建造一个包含多个组织结构的设备来产生一个相互连接的多器官环境并不是一件容易的事情，正如Dokmeci解释的那样，“找到一种满足多个细胞或器官需求的通用介质是主要挑战之一。”

此外，为了能够控制不同系统之间的流体流动，有时需要微型阀门，这可以实现自动化，但使系统的设计和制造复杂化。总的来说，添加更多的组件会使设计更加复杂。”

应用程序

MPS允许研究人员重现复杂的多器官相互作用，帮助他们回答具体的研究问题。到目前为止，MPS已用于多种应用。在这里，我们强调五个关键的研究领域，并更详细地探讨一些。

• 癌症转移．Metastasis-on-a-chip通过整合原发肿瘤和转移环境的复杂模型来工作。(例如，肠道和肝脏类器官系统使用反映结直肠癌的转移。)
• 药物筛选和毒性。MPS被用于早期药物开发确定有治疗潜力的化合物，并确定新的和现有的治疗方法的安全性。
• 疾病建模。MPS被用来模拟双向肠肾轴这被认为在肾脏疾病的发展中起着关键作用。神经退行性疾病以及传染病(如新型冠状病毒肺炎)也正在使用MPS进行探索。
• 个性化医疗。MPS可用于探索药物对个体患者或患者群体的影响，使用patient-derived组织．

利用微生理系统解决药物毒性

Anthony Atala教授 威克森林再生医学研究所(WFIRM)所长和他的同事们已经开发了一种 小说的议员 由多个组织组成 瀑样 类型，以启用在体外筛选候选药物。Atala解释说:“我们开发了一种‘芯片上的身体’系统，它允许我们使用芯片和微流控设备系统设计一个先进的人体[三维](3D)模型，创建一个可以放置人体组织等等物(也称为类器官)的结构。”

Atala描述说，通过使用MPS，有可能“提高药物的有效性和安全性，减少时间、成本和风险，并加速个性化医疗。”

为了防止药物化合物的损失，研究小组选择使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)而不是聚二甲基硅氧烷(PDMS)来组装他们的MPS。虽然到目前为止PDMS已广泛用于构建微流控芯片，但它可能会导致小分子被吸收到芯片壁上，降低了药物在循环介质中的“游离”浓度，影响药物的生物利用度。

阿塔拉解释说，为了制造MPS，他们采用了类似于在患者体内植入工程组织的策略。“我们首先确定特定器官中存在的主要细胞类型，然后使用与人类相同比例的正常细胞。我们还使用组织特异性的‘胶水’将细胞粘合在一起，即细胞外基质，”他说。然后，研究小组将感兴趣的不同类器官固定在各自腔室的水凝胶中，将它们组合成一个单一的系统。

测试WFIRM微生理系统

一项研究发表在 生物制造 ， Atala和同事们首先进行了测试 的能力 3D原发性人类肝脏类器官和3D ipsc衍生的心脏类器官，通过使用它们筛选一组已批准的药物来评估毒性 被 被发现会对人类患者的肝脏和心脏产生不良影响。这些药物随后被美国食品和药物管理局(FDA)召回。

阿塔拉指出:“尽管最初制造商在细胞培养、动物和人体临床试验中测试了这些药物，但直到这些药物被广泛用于人体，才发现这些药物实际上可能对人体有害。”类器官能够检测出毒性 以与人体相关的剂量，反映人体生理学，复制在“现实世界”患者中看到的损伤。

在同一项研究中，该团队组装了WFIRM MPS，包括多种类器官类型，包括上述的肝脏和心脏类器官，以及血管、肺、睾丸和结肠或大脑，并开始评估 它模仿的能力在活的有机体内药物毒性。使用活/死染色和宏观共聚焦显微镜来确认类器官芯片28天的生存能力。为了证明该系统对肝脏代谢的依赖，研究小组比较了两种多器官芯片——一种带有类肝器官，另一种没有。研究小组使用每种系统筛选抗癌前药。

该团队选择测试两种MPS使用高活性化合物因为在“母体”化合物被分解成具有药理活性的代谢物之前，它们几乎没有活性。由于肝脏是代谢的主要部位，在没有肝脏的情况下，前药不能被分解以产生杀死癌细胞所需的“有毒”代谢物。使用WFIRM MPS反映了这一情况-在肝脏类器官存在的情况下，前药被代谢，导致几个下游类器官的细胞毒性。然而，对于没有肝类器官的MPS，没有观察到下游毒性。

多功能性的WFIRM微生理系统

根据Atala的说法，这些类器官可以单独使用，也可以以不同的配置和数量组合使用——例如，单个芯片上可以包含3,6或12个类器官，可以是并行的，也可以是串联的。

Atala解释说:“因此，我们可以测试许多参数，比如一种药物对特定器官的影响，以及药物是如何代谢和处理的，或者它对其他器官的旁观者效应。根据使用的纸巾数量，该系统可以设计成适合火柴盒大小的区域。”

个性化微生理系统

作为一个个性化的医疗平台，MPS实现了一种新的护理标准，因为它们可以被量身定制个人生理机能。通过创建相互关联的患者衍生类器官，在让患者在“现实生活”中接受治疗之前，有可能测试治疗的有效性和安全性。

Dokmeci解释说:“这是芯片器官领域的主要承诺之一——能够从患者身上‘借用’细胞，并事先在个别患者身上测试药物。”

他补充说:“诱导多能干细胞(iPSCs)的发明有助于加快这一领域的研究。”个性化MPS可以是创建正如Dokmeci上面强调的那样，使用血液样本、原代人体组织和来自iPSCs的细胞。

“利用从不同背景的许多患者身上借来的细胞进行研究，有望减少或消除药物召回，其中一些是致命的。”

- Mehmet R. Dokmeci

通过根据患者的健康信息微调细胞培养微环境的参数，有可能进一步个性化MPS。虽然个性化MPS似乎具有巨大的潜力，但挑战仍然存在——主要是与患者样本访问和使用患者健康数据的许可有关。

利用微生理系统研究COVID-19

在过去一年左右的时间里，人们对使用MPS来调查肺部生理和疾病状态的兴趣有所增加——这几乎可以肯定是由于SARS-CoV-2的出现，以及随后迫切需要发现新药和重新利用现有药物来对抗COVID-19疾病。

“在这个领域有不同的组织在努力，”解释说Nureddin Ashammakhi教授他是加州大学洛杉矶分校微创治疗中心的前副主任。Ashammakhi的研究主要集中在3D生物打印和用于再生和个性化医疗的器官芯片模型的开发。

最近的一项研究发表在生物设计与制造 ，Ashammakhi和同事回顾了肺MPS的发展，以模拟COVID-19的病理。根据Ashammakhi的说法，在设计肺部MPS时，重要的是要反映器官的独特组织和功能。

“这是通过设计一个芯片，其中一个腔室代表肺泡，另一个腔室内衬内皮细胞，代表血管来实现的。这两个腔室由一层多孔膜隔开，允许分子在两侧之间运动。Ashammakhi．

甚至可以模仿的运动在活的有机体内通过对上皮-毛细血管膜周围的腔室施加真空来呼吸，使其伸展。正如压力所显示的那样，这是一个重要的因素影响渗透率并在膜上释放活性氧以及其他分子。

“COVID-19的病理可分为以下几个阶段:SARS-CoV-2病毒通过ACE2受体进入;先天免疫反应的炎症或功能障碍;凝血障碍或凝血失调;水肿或肿胀，积液;以及通过纤维化结缔组织的积累而形成的纤维化或瘢痕，”阿沙玛基解释说。

虽然使用单片肺设备评估COVID-19肯定有好处，但正如Ashammakhi在上面所回避的那样，这种疾病的全身性质意味着需要多器官MPS来反映所测试药物的继发性和全身效应。他强调:“在开发相关模型，特别是与感染相关的研究中，包括其他类型的细胞，如免疫细胞，也是极其重要的。”

未来的机会

MPS将继续在众多应用中展示其价值。它们的发展需要多个学科的密切合作，而人工智能(AI)等技术创新只会有助于进一步提高这些系统的能力。

Ashammakhi说:“在这个意义上，人工智能非常重要，它可以使从多个MPS芯片获得的大数据变得易于理解，可以识别关系并得出结论。”