人體器官的形成、發(fā)育、病理等機(jī)制一直是縈繞在科學(xué)家腦中的難題，如何建立高度逼真的人體器官模型是解決問題的關(guān)鍵。目前主要依賴于傳統(tǒng)的細(xì)胞和動(dòng)物模型。近年來，類器官和器官芯片作為新興的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，得到迅速發(fā)展，大有強(qiáng)搶小白鼠“飯碗”的趨勢。最近，兩者還來了個(gè)“親上加親”，誕生了類器官芯片。如果再結(jié)合最近火熱的AI技術(shù)，會(huì)不會(huì)在體外構(gòu)建高度仿生的“人體實(shí)驗(yàn)室”，結(jié)束生物研究、疾病建模、藥物篩選等領(lǐng)域的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)代呢？

AI與類器官及芯片的融合：藥物研發(fā)的顛-覆性變革

傳統(tǒng)藥物研發(fā)面臨成本超高、周期長、成功率低三重困境。據(jù)統(tǒng)計(jì)2000年1月1日至2015年10月31日期間，21143種候選藥物在臨床實(shí)驗(yàn)中的失敗率達(dá)到了86.2%。這些不盡人意的結(jié)果部分歸因于動(dòng)物模型、普通二維細(xì)胞與患者之間存在的諸多差異。

傳統(tǒng)藥物研發(fā)的不足（源自文獻(xiàn)：doi: 10.59717/j.xinn-life.2024.100115）

開發(fā)更高生理相關(guān)性的人源模型勢在必行。

類器官通過干細(xì)胞或組織樣本形成3D器官模型，能模擬真實(shí)器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、組織異質(zhì)性和關(guān)鍵功能。科研人員已成功建立腦、肝、腸道等多種生理性或病理性類器官模型。

器官芯片能夠在體外重現(xiàn)人體器官的動(dòng)態(tài)微環(huán)境，模擬器官間的功能互作。呼吸肺、蠕動(dòng)腸、節(jié)律性心臟、折疊大腦等用于模擬人類生理病理生態(tài)系統(tǒng)的器官芯片已被開發(fā)出來。

類器官和器官芯片作為人源化模型，能夠更準(zhǔn)確、高效的模擬人類疾病生理學(xué)，正在改變著生物醫(yī)學(xué)研究的未來。AI與類器官和器官芯片的無縫銜接，提升高通量篩選和臨床前預(yù)測的準(zhǔn)確性，重構(gòu)患者用藥以及實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療，加速藥物發(fā)現(xiàn)進(jìn)程。

AI與類器官和器官芯片的無縫銜接（源自文獻(xiàn)：doi: 10.59717/j.xinn-life.2024.100115）

傳統(tǒng)模型與新興技術(shù)的“迭代”

傳統(tǒng)模型，如常規(guī)培養(yǎng)細(xì)胞和動(dòng)物模型，奠定了生物醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)，是目前藥物開發(fā)與審核的“正規(guī)軍”。傳統(tǒng)模型能夠體現(xiàn)基本結(jié)構(gòu)和功能，系統(tǒng)研究機(jī)體對(duì)外源物質(zhì)的反應(yīng)和發(fā)病機(jī)制，整個(gè)生態(tài)圈成熟。

現(xiàn)在，傳統(tǒng)模型正在面臨挑戰(zhàn)。常規(guī)培養(yǎng)細(xì)胞難以真實(shí)反應(yīng)細(xì)胞在體內(nèi)的微環(huán)境和三維結(jié)構(gòu)，動(dòng)物模型與人體生理病理狀態(tài)存在種屬差異。

1、類器官（Human Organoid, HO）

類器官是體外培養(yǎng)的3D多細(xì)胞體系，一般由多能干細(xì)胞（PSC）或成體干細(xì)胞（ASC）衍生，在生理結(jié)構(gòu)和功能上與人類組織或器官高度相似。

在培養(yǎng)過程中，PSC來源的類器官需要根據(jù)特定譜系的發(fā)育途徑，及時(shí)且有序的添加相應(yīng)細(xì)胞因子，確保干細(xì)胞在分化過程中形成正確的區(qū)域特征，并通過特異的生物標(biāo)志物或功能來鑒定識(shí)別類器官。PSC衍生的類器官支持通過整合多細(xì)胞元素構(gòu)建更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如血管和免疫系統(tǒng)。

ASC來源的類器官（如患者來源的腫瘤類器官）不需要經(jīng)過胚層引導(dǎo)，接種到細(xì)胞外基質(zhì)后通過不同的細(xì)胞因子進(jìn)行培養(yǎng)。ASC衍生的類器官能夠形成與患者相同基因的同源三維結(jié)構(gòu)，為個(gè)性化治療和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供可能。

類器官研究進(jìn)展（源自文獻(xiàn)：doi: 10.1186/s13020-025-01071-8）

腫瘤類器官（PDO）是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，主要來自癌癥患者的活檢或手術(shù)組織中的干細(xì)胞，能夠忠實(shí)地再現(xiàn)其來源癌癥組織的特征，對(duì)藥物的敏感性呈現(xiàn)出良好的臨床預(yù)測價(jià)值。PDO能夠在體外穩(wěn)定培養(yǎng)和傳代，為研究腫瘤的多種不同方面提供了重要的模型，如穩(wěn)態(tài)、腫瘤發(fā)生、癌癥轉(zhuǎn)化的相關(guān)機(jī)制。

2、器官芯片（Organs-on-chip, OOC）

器官芯片是利用微加工和微流控技術(shù)，在芯片上構(gòu)建的包含多種細(xì)胞類型的體外微生理系統(tǒng)，能夠模擬人體器官的關(guān)鍵功能和微環(huán)境。

OOC強(qiáng)調(diào)通過創(chuàng)建與人體原器官相關(guān)的生態(tài)位條件來調(diào)控細(xì)胞行為，如通過3D拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引導(dǎo)細(xì)胞的定向遷移和分化、模擬運(yùn)動(dòng)器官的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、模擬營養(yǎng)物質(zhì)交換等生理?xiàng)l件。OOC還可以在特定培養(yǎng)系統(tǒng)中引入電磁或光學(xué)制動(dòng)器，模擬心臟的跳動(dòng)和血液流動(dòng)，研究藥物對(duì)心臟功能的影響。OCC還具有高分辨原位成像能力，實(shí)時(shí)監(jiān)測細(xì)胞對(duì)外部及內(nèi)部刺激的反應(yīng)，可用來研究肝臟的代謝、解毒功能以及藥物對(duì)肝的毒性。

目前，OOC技術(shù)已“重現(xiàn)”多個(gè)人體器官，如肺、腸道、大腦、心臟、軟骨等，這些模型在器官再生、疾病研究及藥物篩選等領(lǐng)域潛力巨大。

器官芯片模擬人體代謝過程（源自文獻(xiàn)：doi: 10.1186/s13020-025-01071-8）

3、類器官芯片（Organoids-on-chip, OrgOC）

HO和OOC代表兩種不同但互為補(bǔ)充的仿生人體器官模型，將保真度高的HO與集成度高的OOC結(jié)合在一起，是否會(huì)進(jìn)一步縮小生物研究與臨床結(jié)果之間的轉(zhuǎn)化鴻溝呢？于是，科研人員開發(fā)了類器官芯片（Organoids-on-chip, OrgOC）技術(shù)。2019年，Science首-次提出類器官芯片的概念。

OrgOC構(gòu)建需遵循器官發(fā)育生物學(xué)的特定原則，并兼顧微型裝置的可行性與穩(wěn)定性。芯片微結(jié)構(gòu)需要根據(jù)待模擬的細(xì)胞類型及其空間分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨后將相關(guān)的微環(huán)境組分引入系統(tǒng)以誘導(dǎo)細(xì)胞行為。最后在適當(dāng)?shù)膮^(qū)室培養(yǎng)所需結(jié)構(gòu)和功能特征的類器官。

類器官芯片明顯提高了藥物療效及安全性預(yù)測的可靠性，降低成本與藥物失敗率，為藥物的臨床前評(píng)估和臨床試驗(yàn)提供有力的科學(xué)依據(jù)。OrgOC還可以與AI、多重生物傳感器、多組學(xué)分析、基因編輯等技術(shù)融合，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，目前已建立生殖系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等多種OrgOC，廣泛用于基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)。

類器官芯片具有更多功能優(yōu)勢（源自文獻(xiàn)：doi: 10.1038/s41420-023-01354-9）

如何構(gòu)建類器官芯片

類器官芯片的構(gòu)建結(jié)合了生物學(xué)和工程學(xué)的多個(gè)學(xué)科技術(shù)，主要包括以下4個(gè)關(guān)鍵步驟：

1、類器官的培養(yǎng)

從人體獲得干細(xì)胞或腫瘤組織細(xì)胞，使用特定的培養(yǎng)基和細(xì)胞因子，誘導(dǎo)細(xì)胞自組裝成具有器官功能特性的3D微型組織。如腸道類器官需要Wnt信號(hào)激活劑和其他小分子以支持腸上皮的生長和分化，添加表皮生長因子（EGF）、成纖維細(xì)胞生長因子（FGF）等生長因子，以促進(jìn)腸道類器官的增殖。

2、芯片的設(shè)計(jì)與制作

微流控系統(tǒng)需要考慮流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如流速、剪切力和擴(kuò)散效應(yīng)等，確保類器官能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中正常生長。

3、類器官與芯片整合

將類器官嵌入到芯片中是構(gòu)建OrgOC的關(guān)鍵步驟。利用微泵將細(xì)胞懸液精確注入到細(xì)胞培養(yǎng)腔室中，需要嚴(yán)格控制細(xì)胞濃度和接種量。培養(yǎng)過程中，通過微流控系統(tǒng)持續(xù)向芯片中輸送添加營養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)胞因子和生長因子的培養(yǎng)基，為類器官模擬體內(nèi)的動(dòng)態(tài)微環(huán)境。

4、功能模塊集成

為實(shí)時(shí)監(jiān)測類器官的代謝和功能，需要在芯片中集成傳感器和檢測模塊，如pH傳感器、氧氣濃度傳感器、電化學(xué)檢測元件等。此外，芯片還可以嵌入多通道系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種類器官的協(xié)同培養(yǎng)，如將肝類器官和腸類器官連接，以研究藥物代謝和毒性。

類器官芯片構(gòu)建示意圖（源自文獻(xiàn)：doi: 10.1093/lifemedi/lnad007）

義翹神州類器官研究解決方案

綜上所述，基于類器官的模型技術(shù)能夠模擬生命周期的復(fù)雜環(huán)境，如器官在疾病發(fā)生后會(huì)受到哪些影響？通過藥物和細(xì)胞治療能夠達(dá)到何種程度？因此，在基礎(chǔ)研究、疾病建模、藥物篩選和個(gè)性化醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

義翹神州自主開發(fā)了類器官培養(yǎng)、分化、分析和鑒定所需的細(xì)胞因子、生長因子、小分子化合物及抗體等產(chǎn)品。我們現(xiàn)推出升級(jí)版的類器官研究解決方案，涵蓋多種生理和病理類器官模型，全力支持您的類器官培養(yǎng)與鑒定需求。

免責(zé)聲明：義翹神州內(nèi)容團(tuán)隊(duì)僅是分享和解讀公開的研究論文及其發(fā)現(xiàn)，專注于介紹生物醫(yī)藥研究新進(jìn)展。本文僅作信息交流用，文中觀點(diǎn)不代表義翹神州立場。隨著對(duì)疾病機(jī)制研究的深入，新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論可能會(huì)修改文中的描述，還請(qǐng)大家理解。

本文不屬于治療方案推薦，如需獲得治療方案指導(dǎo)，請(qǐng)前往正規(guī)醫(yī)院就診。本司產(chǎn)品目前僅可用于科學(xué)研究，不可用于臨床治療。

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