为什么我们应该对人体组织芯片| 3D细胞培养|康宁感兴趣

以下文章最初出现在2020年9月20日，在药物发现世界这里．

我们对人体生物学的不完全理解和人类实验的有限潜力强调了对人类疾病的体外模型的需求。理想地，这种系统将准确地重新携带疾病病因和进展，预测对治疗的反应，并用作患者或特异性的测试平台。传统上依赖于动物模型的临床前药物测试，但基于细胞的测定（CBA）正在接受越来越多的工作量。在这种情况下，测定平台倾向于更复杂和功能，导致体外和体内系统之间具有更高程度的相似性。

在以细胞为基础的检测的生理相关性的连续统一体中，二维(2D)培养是最简单的，也可以说仍然是最广泛使用的，其次是多细胞三维球体和器官。再往前，我们就有了组织芯片(本文的主题)，以及仍处于早期开发阶段的人芯片平台。

附着依赖性细胞的2D培养物容易实现，但它们未能复制影响活组织中细胞的化学，机械和生理因素。特别缺乏是细胞 - 细胞和细胞 - 细胞间相互作用，其负责细胞分化，增殖，生命力，基因和蛋白质表达，对刺激的反应以及药物代谢。

三维（3D）细胞培养通过重新制备细胞在健康和疾病状态期间经验的体内化学，机械和生物条件来增加与基于细胞的测定的深层生理学相关性。当从患者衍生的细胞培养时，球形和有机体也包含受试者的基因组环境，包括对现有或实验药物的相关疗效和毒理学反应。因此，3D培养物可以提供单尺寸适合所有治疗和个性化药物之间的联系。

个性化药物或精准药物(PM)寻求在正确的时间、正确的剂量向正确的患者提供正确的药物。PM包括使用辅助诊断——通常是生化分析——对患者进行分层临床研究，或确定他们对特定治疗的适用性。根据美国食品和药物管理局的说法，伴随诊断“提供了对安全有效使用相应药物或生物产品至关重要的信息。”“通常3D细胞培养，特别是组织芯片，有潜力微调分层，包括特定的安全性、有效性和器官间反应。通过添加来自两个或多个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方面:为什么有些患者会生病，而有些患者，有着同样的易感性，却没有生病。

球状细胞是来自几乎任何组织的简单细胞簇，例如肿瘤活检、胚胎体、肝细胞、神经组织或乳腺。球体不需要任何特殊的脚手架或工程，因为他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、用于大规模筛选的可用性和批与批的一致性。

类器官来自胃、肝、膀胱或其他器官的单一器官特异性干细胞或祖细胞。当种子细胞在细胞外支架中培养，并提供合适的培养基和生长因子时，种子细胞分化为原始组织中正常存在的所有细胞类型，并自组织成可用的结构。

术语“组织芯片”和“器官芯片”通常可互换使用，但差异是值得注意的。器官芯片是具有受控，动态微环境的微流体系统，其中培养细胞模拟器官级生理学。

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。组织芯片是组织工程师的首选术语，它更大，工程更精细。组织芯片是通过单独制备其细胞成分，结合它们的生理比例，并在适当的情况下在生态位水平的仿生力工程来构建的。组织芯片采用微流体连接多个体外器官/组织模型，而这些功能单元是独立的，也可以独立地用于器官芯片(以及类器官)。部分由于它们比器官芯片或类器官更复杂，组织芯片是低通量的测试平台，应该提供更多的生理相关性。

由于它们来自患者收获的多能干细胞，因此组织芯片是患者特异性的，并且当然是特异性的 - 一种全人类模型。通过提供生理相关的读出组织芯片支持疾病监测，药物反应和个性化医学。

与其他基于细胞的基于细胞的测定一样，组织芯片恭维验证的动物毒理学模型，但与先进的3D有机体不同，它们的功能受其组成细胞的限制。可以以添加额外的细胞类型和典型的组织原始乳头的形式引入进一步的功能，该组织原始地基的典型物理或机械约束，通过提供生物学上相关信号将组织与成熟共同。Microfluidics的其他掺入能够在生理条件下研究两个或多个器官功能，包括在相同的剂量水平下。

“患者的盘子”是指互联的基于芯片的器官系统，用于组织组织通信，其中单独的'器官'经历相同的刺激，同时体验相同的程度。当为疾病进展或药物反应相关的所有特征设计时，患者含有型菜系促进了系统性疾病的研究，包括影响因果或治疗或疾病状态不同阶段的器官的疾病。额外的因素也可以内置，例如免疫系统细胞，其赋予感染的免疫力，或通过炎症加剧疾病。炎症是癌症，心脏病，关节炎，病毒感染和许多其他疾病的已知因素。这些全身疾病尤其难以在体外或动物模型中学习，并且可以从这些芯片的技术的发展中受益。

复制组织的生理状态需要在正确的比例下具有右细胞的所需功能，以及诱导其组装成功能器官单元的培养条件，同时将细胞的成熟促进到适当的表型中。

例如，心脏含有多种细胞类型，包括特定比率的心肌细胞，成纤维细胞，内皮细胞和常规巨噬细胞，密集地填充并在应变下。由于心脏的力学影响其对刺激的反应，因此心脏组织芯片应包括这种菌株。植入模拟起搏器细胞动作的电极允许“训练”心脏组织芯片以人体心肌肌肉表现出的强度和频率搏动。

类似地，骨组织芯片不仅包含相关的骨细胞，而且刚性脚手架和机械压缩力在这种普通活动中经历升降和行走时的骨组织经历。

最后一块拼图涉及到细胞成熟。从病人分化的祖细胞中提取的细胞是“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，我们的方案包括了快速、可靠地成熟细胞的培养条件。

随着我们从对生物工厂的努力学到移植的时，将功能性脉管系统供给离体组织是有问题的。例如，我们没有能够在同一组织芯片上工程到大型通道和萌芽微孔系统。相反，我们的装置包含一个大型内置的微流体“动脉”，通过血管生成，微孔化形式形成微血管系统。

应该强调的是，包括微血管特征的组织芯片的所有细胞组分可以由单一患者衍生的祖细胞产生 - 使其成为实现PM的目标的患者特定模型。

从悬浮细胞到2D培养、3D培养，再到“培养皿中病人”系统，采用基于细胞的分析并非易事。每一步都涉及实验、优化和最重要的验证——所有这些都从核心操作中转移了资源。然而，这些努力在几个层面上都得到了回报。

生物学相关性是第一个好处，这是2D贴壁细胞培养中最缺乏的特征。我们知道，与活体系统相比，三维培养的细胞在与起源组织相似的水平和方式上分化和产生代谢物，比二维培养更可靠。因此，基于球体或类器官的三维疾病模型应该更密切地复制药物筛选或疾病建模中的关键相互作用。在细胞生长、基因/蛋白表达和耐药方面也有类似的优势。

将复杂性从简单的3D培养提升到器官芯片和患者芯片，提供了多路复用的额外优势，特别是在同一实验中，从同一刺激，同时从多个细胞类型(器官芯片)或两个或多个器官系统(人芯片)获得反应读数的能力。在过去，获取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器官和患者芯片，包括多种类型的细胞具有相同的遗传特征。

生物相关性和多路复用提供了基于细胞的检测平台，可以设计用于量化相当微妙的反应，例如一个细胞腔内的细胞死亡和另一个细胞腔内的药物摄取。此外，一旦设计和验证，3D细胞培养系统甚至患者芯片可能会一致和大量生产，几乎作为试剂。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复制问题。

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。在共同努力的指导下，为了更准确地筛选药物毒性和疾病疗效，我们小组重点展示了集成组织芯片模型在概述患者特异性反应方面的预测能力。我们通过生物工程设计了一个毫米尺度的多组织(心脏、肝脏、骨骼、皮肤、脉管系统)平台，在该平台中，单个组织在定制设计的腔室中成熟，并通过微流控血管灌注连接。个体组织的形成方式多种多样，都是为了模仿它们在体内的生物生态位而设计的。例如，肝细胞和成纤维细胞在三维球体中结合生成肝脏组织，这可以使用康宁超低附着(ULA)微板，并进一步结合成仿生三维水凝胶。皮肤组织是通过将一系列细胞封装到可渗透插入物(如康宁生命科学公司的Transwell膜)上生长的水凝胶中形成的，这样它们就可以暴露在空气-液体界面中，以使皮肤成熟成分层层。为了进一步再现细胞的自然环境，我们引入巨噬细胞，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持。所有的细胞都可以从一个单一的，病人来源的诱导多能干细胞中获得，以满足病人的特异性。在这个模型中，相互连接的组织显示出对临床观察到的药物反应的更高预测，并提供了一个患者疾病的系统模型。 Overall, we are just beginning to realise the potential of these tissue-chip technologies and their utility for advancing PM.

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，将通过解决动物模型，基于细胞的测定和临床研究观察到的药物安全性和疗效的差异来帮助加速药物开发。因此，组织碎片独特地作为临床开发光谱两端的体内研究的代理。在最早的临床前和第1阶段，其中一个希望发生最终的药物故障，组织芯片提供器官功能和物种特异性。在第3阶段和营销后，他们将有助于分层患者进行试验或预测多个器官系统中的疗效和毒性。

组织芯片无法解决与人类的离体模型相关的每个问题。与球形不同，组织芯片专注于重新承载每个“器官”的选择功能读出，因此多功能测定需要设计额外的芯片，用于可能没有已经代表的附加功能。还记得复杂性是一把双刃剑。模型内置的功能越多，准备它的努力越大，它将易于稳健，可靠和生产的可能性越少，最终越涉及验证努力。

第21卷，问题4 - 秋天2020

Kacey Ronaldson-Bouchard博士是哥伦比亚大学的纽约市生物医学工程系的副研究员。她的研究侧重于从多能干细胞的工程多细胞系统，包括IPSC衍生的心肌细胞的高级成熟成熟，功能性心脏微观细胞。Ronaldson-Bouchardr博士对整合了用于研究器官间相互作用的多个工程化组织模型，以实现患者具体化模型来实现个性化药物。她在包括自然，细胞干细胞，和核细胞的期刊上发表论文，并且是塔拉生物系统的联合创始人，这是一个基于NYC的初创公司，专注于工程先进心脏模型，用于药物发现，测试和精密心脏病学。

参考

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

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

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

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

⁶//www.akinfefatou.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/101101/376970v1.full

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