综述：器官芯片模型的微流控平台：为类器官和多器官系统创建动态微环境

《Current Opinion in Biomedical Engineering》：Microfluidic Platforms for Organ-on-a-Chip Models: Creating dynamic microenvironments for organoid and multi-organ systems

本综述系统阐述了如何利用微流控（Microfluidic）技术解决传统类器官（Organoids）培养中微环境控制不足的难题，重点介绍了器官芯片（OoC）与类器官结合形成的类器官芯片（OrgOC）平台在构建动态、结构化、可重复in vitro模型方面的最新进展，包括微环境设计、器官形态工程、高通量自动化生产等核心策略，为提升in vitro组织模型的生理相关性及标准化提供了前沿视角。

　　

微流控平台为器官芯片模型注入了新的活力，旨在为类器官和多器官系统创建高度可控的动态微环境。类器官技术已经彻底改变了人类发育和疾病的in vitro建模方式，但其全部潜力仍受限于对微环境和三维组织的有限控制。将器官芯片技术与类器官相结合，即所谓的类器官芯片，为克服这些限制提供了强大的解决方案，使得开发动态、结构化和可重复的系统成为可能。

引言

在过去的几十年里，自体组织化的三维类器官的出现推动了in vitro组织建模的范式转变。类器官源自成体或多能干细胞，具有重现天然组织关键特征的内在能力，包括细胞异质性、空间结构和细胞外基质组成。然而，传统的类器官培养仍然受限于其随机性组织、缺乏标准化以及无法模拟活体组织的动态和空间受控微环境。

类器官正日益集成到微流控平台中，这些工程化的设备可以精确再现复杂的三维组织结构和功能。最近的进展已将微流控技术的应用扩展到连续灌流和梯度形成之外，融入了类器官形态塑造、多室共培养和高通量自动化，共同促成了更具生理相关性和可控性的in vitro模型。

设计微环境

器官芯片和类器官芯片平台旨在复制天然细胞微环境的生物化学和生物力学特性，包括细胞外基质组成、流体流动、浓度梯度和机械线索等关键特征。这些系统在微尺度下运行，利用了基本的物理优势：流体状态为层流；扩散性质量传输在细胞动力学的特征时间尺度上变得显著。这种精确控制使得研究人员能够模拟体内条件，例如营养输送、废物清除以及生化信号梯度，这些对于细胞行为和组织发育至关重要。

工程化类器官系统的微流控策略

基于上述物理原理，微流控技术利用微尺度下流体的可预测行为，主动塑造类器官的发育，指导分化轨迹，并在互连的回路中整合多种组织类型。这些策略将理论概念转化为构建结构化、动态和可互操作的组织模型的实用方法。具体策略包括使用微制造技术创建特定的培养腔室来引导类器官的形状和大小，以及通过控制流体流动来建立时空形态发生素梯度，从而模拟发育过程中的模式形成。此外，微流控平台还促进了多类器官组装体的集成，以模拟器官间的通信，例如创建肝-心或肠-脑轴模型，用于研究系统性的生理和病理过程。

用于可扩展类器官生产和分选的微流控策略

尽管类器官在模拟人类发育和疾病方面具有潜力，但其广泛应用仍然受到可扩展性和标准化限制的阻碍。实现可重复的大规模生产对于转化应用、药物测试和个性化医疗至关重要，但这仍然是一个重大挑战。传统的类器官生产方法通常依赖于手动操作和批次培养，导致大小、形态和细胞组成存在差异。微流控技术通过自动化、微型化和并行处理为解决这些挑战提供了途径。例如，液滴微流控可以生成大小均匀的含有干细胞的水凝胶微滴，作为类器官形成的受控微环境。此外，基于微流控的分选技术可以根据大小、形态或特定的标记物表达来筛选和分离成熟的类器官，从而提高实验的可重复性和通量。

展望

微流控技术已经改变了in vitro组织模型，将类器官培养从静态系统转变为能更好地模拟生理学的动态平台。通过精确控制几何形状、流动、剪切应力和质量传输，这些系统以高分辨率指导形态发生和复杂的器官间相互作用。当前的挑战包括气-液界面引起的压力问题，以及支持类器官生长和重塑的有限机械适应性。大多数平台依赖于刚性材料，如聚二甲基硅氧烷，未来可能需要开发更柔软、更具生物活性的材料。将传感器集成到芯片中用于实时监测代谢活动或细胞分泌，以及利用人工智能进行数据分析和模型预测，是未来发展的前沿方向。这些进步共同通过使类器官系统更接近人类组织的复杂性、整合性和反应性，正在重新定义in vitro建模的格局。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本工作报告的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

O.G. acknowledges funding from ERC-2023-Str Grant (101117759), NE acknowledges funding from ERC Adv Grant (101055300).