Science类器官特刊（一）丨类器官新技术——类器官和器官芯片的完美结合
编译 | 咸姐
责编 | 兮
随着生命科学的发展，人类想要更好地了解自己，攻克各种疾病，已不能仅仅满足于动物模型，复制和重建人类器官成为科学家们尝试发展的方向之一。于是，类器官诞生了。
类器官（Organoid）是在体外用3D培养技术对干细胞或器官祖细胞进行诱导分化形成的在结构和功能上都类似目标器官或组织的三维细胞复合体，其具有稳定的表型和遗传学特征，能够在体外长期培养，它在形成过程中再现了体内器官发生的两个事件，即同类细胞以黏附的方式分类聚集和空间特异性的细胞谱系定型【1】。与传统2D细胞培养模式相比，3D培养的类器官包含多种细胞类型，突破了细胞间单纯的物理接触联系，形成了更加紧密的细胞间生物通信，细胞间相互影响、诱导、反馈【2】，协作发育并形成具有功能的迷你器官或组织，能更好地用于模拟器官组织的发生过程及生理病理状态，因而在基础研究以及临床诊疗方面具有广阔的应用前景。
然而，传统的依赖于相继加入生长因子的3D培养技术培养哺乳动物干细胞来形成类器官的方法仍然有其局限性，比如其对类器官及它们的局部环境的控制不够精确，此外，该方法不能很好地复制器官发展过程中复杂又动态的微环境，而这种微环境恰恰是器官形成的有利因素【3】，这就使得获取更完整的类似体内器官发展的类器官过程困难重重【4】。
为了解决上述传统培养技术的限制缺点，干细胞和发育生物学领域的专家联合物理科学家和工程师们以期发展类器官研究中更先进的体外技术，而目前处于该研究最前列的便是将器官芯片技术与类器官相整合而形成的“类器官芯片”技术。近日，来自美国宾夕法尼亚大学的Sunghee Estelle Park、Andrei Georgescu和Dongeun Huh教授共同为Science撰写综述Organoids-on-a-chip，回顾了近些年来将器官芯片技术应用于类器官的研究，详细阐明了器官芯片技术是如何帮助解决类器官研究过程中的重大技术挑战，并为类器官芯片技术的应用提出了前瞻性的意见。
什么是器官芯片呢？
广义上，器官芯片是在体外模拟人类器官的单位功能的微型细胞培养装置，以微流控芯片技术为核心。一般而言，器官芯片体系的建立是以基于对靶器官简化分析的设计原则作为指导的。首要的是理解靶器官的解剖学结构，并将其缩小归纳为对生理机能所必须的基本元件，这些功能单元再进一步地被用于识别关键特点如不同细胞类型、结构组织以及器官特异性生物化学和生理微环境；然后设计一个细胞培养装置以复制这些特点，并通过微细加工技术如软刻蚀将其制造出来（图1）。通过将人类活细胞与生理相关微环境相整合，器官芯片可以模拟对生理稳态及复杂疾病过程很重要的器官水平的功能，这使得它们有望用于补充并减少药物、医学设备及生物材料的临床应用前的动物实验，也为筛选化学物、环境材料和消耗产品的副作用提供有利的体外平台。
图1 肺器官芯片的设计原则
那么，器官芯片技术可以为类器官带来什么呢？本文的作者从三个大方面做出了阐释。
类器官的发育需要在合适时间、以可控的方式激活相关的信号通路，以诱导细胞命运分化和物理上分离以形成不同细胞类型，并指导自我组织。传统的类器官培养需要在特定时间加入形成素，从而和细胞分泌的可溶性因子形成干细胞的生物化学梯度微环境，但是这种梯度不易控制，并且成功率不高。而越来越多的研究发现，当把器官芯片技术与之结合后，这个问题迎刃而解。一个代表性例子是将微液流系统应用于建立体外神经管发育模型（图2A），该微型设备模拟了sonic hedgehog（Shh）信号通路和bone morphogenetic protein（BMP）信号通路，从而成功诱导生成脊髓发育过程中神经管。类似的方法也成功产生化学梯度微环境，从而将人脑类器官芯片应用于研究尼古丁对皮质层发育的副作用等等。
此外，随着类器官的变大，其仅仅依靠被动扩散来获取养分和氧气并去除代谢产物的方法不足以满足它们对代谢物日益增加的需求，最终导致它们的生长和成熟失败。而用器官芯片来模拟灌注血管被证明可以解决这一问题。一个肿瘤类器官芯片模型包含三个相互联系的微液流装置（图2B），支持内皮细胞的血管生成自组装成3D的灌流血管，并长成乳腺癌患者的类器官结构，利用此装置通过血管灌流紫杉醇可以抑制肿瘤的生长，也可以用其来筛选患者个性化的药物。
同时我们知道，胚胎的发育过程经历了各种各样类型的机械力，从单细胞产生的牵引力到流体切应力，以及由整合大群细胞的机械活动引起的固体机械力，这些力与可溶性形成素和细胞外基质信号一起调节器官的发展和成熟。传统类器官模型缺少生物力学的控制，从而导致发育不完全。而微型工程装置的应用可以为类器官产生类似于体内的机械力，比如一个胃芯片模型，将来源于人类多能干细胞的胃类器官培养在人工基底膜上，其空心结构搭配一副微量移液管使液体流入内腔，模拟了体内胃的腔流动和节律收缩（图2C）。
图2 类器官芯片可用于控制微环境
系统来看，人体的复杂性来源于不同组织以及其内部组分之间动态的相互作用，因此，模拟这些相互作用对于体外模拟完整的复杂生理体系至关重要。而器官芯片为类器官体系共培养不同的细胞和组织类型提供了更可控且更有利的设计平台。例如一个多小室微型装置建立的血管-肝脏类器官芯片，增强了体外肝脏组织和血管的相互作用，从而增加了肝脏特异性标志物的表达，增强体外肝脏功能。此外，有研究利用体外微型平台共培养不同类型的类器官，成功共培养了干细胞来源的肝脏、肠和胃类器官。这类多器官系统将有助于在临床前预测生物制药的应用模式。
与体内器官形成不同，类器官的发育在尺寸、结构组织、功能和基因表达上有大量的可变性，而器官芯片技术为类器官提供了一种方法，可以产生类似体内严谨调控器官形成的模式，从而减少随机性和可变性。具体来看，首先，微型设备的机械自动化的精确性和重复性减少了实验过程中（如类器官培养）由手动操作的不一致性带来的可变性；其次，微型工程装置增加了类器官培养的密度，使得其处理和分析实现高通量；最后，通过将生物传感元件合并入培养平台，可以持续筛选类器官，比如有研究设计了一个整合了无标记生物传感器的多器官芯片设备用于长期监测心脏和肝脏类器官及原代肝脏球状体，从而可以在高敏感性和广泛的动态范围内同时监测高达8个不同的靶标（图3）。
图3 整合传感器的多器官平台有利于原位监测类器官
综上所述，通过两种技术的结合而产生的类器官芯片，取长补短，互相补充，使得其成为更有用且更具预测性的临床前实验模型，使其可以广泛应用于传统或新药的研发过程；通过来源于病人的组织样本作为类器官，类器官芯片也可以创建特异性疾病模型，实现精准医疗；同时类器官芯片还可以通过高通量分析筛选体外条件优化的类器官而实现再生医学的发展。
尽管类器官芯片的应用前景一片光明，但是它的局限性依旧值得我们关注，例如由于类器官芯片模型的设计和建立都是预先决定的，因此在应对器官形成过程中面对的动态结构、环境和功能的改变上仍存在问题。因此，如何将器官芯片技术更好的与类器官结合将仍旧是极具开发潜力的科学问题，需要世界各地的科学家们积极交流，共同创建更好的类器官时代！
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/364/6444/960
制版人：小娴子
参考文献
1. LancasterMA, Knoblich JA. Organogenesis in a dish: modeling development and diseaseusing organoid technologies.Science2014;345 (6194) :1247125.
2. Sasai Y.Next-generation regenerative medicine: organogenesis from stem cells in 3Dculture. Cell Stem Cell 2013;12 (5) :520-30.
3. McCauley HA,Wells JM. Pluripotent stem cell-derived organoids: using principles ofdevelopmental biology to grow human tissues in a dish, Development 144, 958–962(2017).
4. X. Yin etal. Engineering Stem Cell Organoids. Cell Stem Cell 18, 25–38 (2016).