审阅︱杨 慧
责编︱王思珍，方以一
器官芯片是一种多通道三维微流控芯片，为细胞培养提供对应组织器官的微环境，模拟人体不同组织器官的主要结构功能特征和复杂的器官间联系，用以预测人体对药物或外界不同刺激产生的反应。基于微流控技术的器官芯片高速发展，因其微环境与生理环境相近、时间和空间维度上能够提供精确控制、易于实现多组织功能研究等特点，在新药研发、再生医学以及个性化诊疗等领域具有广泛的应用前景。2022年6月，美国众议院针对《联邦食品、药品和化妆品法（FFDCA）》进行修订，首次将器官芯片和微生理系统作为独立的药物非临床实验评估体系纳入法案，器官芯片和细胞模型、计算机建模以及动物模型等视为同等重要的研究手段。因此，为建立用于眼部临床前研究的标准化体外测试平台提供了很好的机遇。2023年3月17日，中国科学院深圳先进技术研究院杨慧研究员团队在Cell旗下的STAR Protocols期刊发表了题为“Protocol to develop a microfluidic
human corneal barrier-on-a-chip to evaluate the corneal epithelial wound repair
process”的研究方案论文，详细阐述了上、下结构的微流控器官芯片的设计理念、制作流程、表征方法及常见问题解决方案，开发人眼角膜生理特性和动态特征的体外模型。在此之前，杨慧课题组围绕体外仿生眼角膜模型的微环境模拟及无细胞疗法评价等问题，已在iScience发表前期工作 [1]，有望助力器官芯片的发展。基于微流控技术的器官芯片可以设计多种功能区及间隔通道，将流体独立地引入至不同区域，调节微环境，适用于单个装置内对多种组织细胞的三维培养。角膜是眼球最前端的透明、无血管组织，作为结构屏障并保护眼睛免受感染。屏障功能是角膜最重要的生理功能之一。由于器官芯片遵循“还原法”的设计理念，根据人眼角膜的解剖结构，将其简化为执行屏障功能所需的基本要素，即人角膜上皮细胞、前弹力层、基质、厚弹力层、人角膜内皮细胞。因此，作者设计了一个由人角膜细胞和基质修饰的多孔膜组成的微流控平台，体外再现角膜的生理结构及屏障功能（图1）。本文利用软光刻技术，制作上、下层结构的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)芯片，经过氧等离子体处理，将上层PDMS、基质修饰的多孔膜、下层PDMS、玻璃片依次键合，得到培养装置。将人角膜内皮细胞和人角膜上皮细胞分别引入装置下层、上层培养区，待细胞贴壁后，移走上层培养区的液体，上层培养区的通孔为人角膜上皮细胞提供气-液界面培养条件，促进人角膜上皮细胞分化为人角膜上皮组织，重现了人眼角膜与外部环境之间的相互作用。（图源：Yu Z et al., STAR Protoc, 2023）作者结合以下4种表征手段对角膜芯片进一步说明：1. 培养过程中，跨上皮电阻（trans-epithelial
electrical resistance, TEER）值监测角膜芯片的屏障功能，当芯片培养14天后，TEER达到最大值，说明细胞越致密，屏障功能越好；2.测量葡聚糖（分子量5 kDa）的渗透性，其数值接近生理状态；3. 组织切片染色显示角膜上皮组织厚且致密，说明仿生的气液界面培养条件适合其生长；4.免疫荧光染色显示：角膜上皮细胞表达特征性角蛋白3，同时细胞的紧密连接ZO-1蛋白有明显表达，说明两种细胞互相促进，形成生理结构。综上，角膜芯片构建成功，可以用于后续药物开发及测试。（图源：Yu Z et al., STAR Protoc, 2023）文章结论与讨论，启发与展望本论文中，研究团队在体外重现了人眼角膜与外部环境之间的相互作用，得到更符合人眼角膜生理特性和动态特征的体外模型。该工作作为一篇器官芯片的方法学论文，为相关研究者提供清晰的设计思路、完备的制作工艺、多种表征方法（图2），对推动非临床实验的规范化体外模型具有重要的作用。团队已将该芯片用于评价干细胞外泌体对眼角膜的无细胞治疗方法，此工作已被iScience发表[1]。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666166723000801
深圳先进院博士生于子桐为论文第一作者，杨慧研究员为通讯作者。本研究成果受到国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、深圳市科技创新委员会等项目经费共同资助完成。
通讯作者：杨慧（左）；第一作者：于子桐（右）
（照片提供自：杨慧团队）
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