可靠    创新    同行    发展

器官芯片平台作为动物模型或传统细胞培养的替代品具有重要的前景，这两种方法都不能很好地概括人类病理生理和人类水平的反应。在过去的15年里，我们见证了学术实验室的开创性科学发展，一系列初创公司和投资，以及制药行业和监管机构对这些平台的真正兴趣。本展望确定了可能成为阻碍这些系统广泛传播和部署的障碍的几个基本设计和过程特征，并提供了一个路线图，帮助将该技术定位于主流药物发现。

虽然传统的二维培养方法在过去的一个世纪里已经很好地服务于科学界，但器官芯片设备的发展提高了培养更复杂的三维工程和离体组织的能力。从概念上讲，器官芯片设备是连续灌注的微流体设备，用于培养细胞或工程组织，以一种在最小功能单元内模拟组织和器官水平功能的方式。这些微流体装置的范围可以从具有一种或多种相关细胞类型的简单系统到更复杂的多通道系统，该系统利用多孔膜和多种细胞培养物来模拟组织界面，例如肺或肾脏中的组织界面。多器官芯片设备已被连接在一起，以分析药物或毒素传递以及代谢和其他多器官过程中不同器官功能之间的相互作用。例如，血管细胞或免疫细胞可以与各种类型的类器官共培养。通过融合不同类型的类器官来重建多个组织之间的相互作用，可以创建更复杂的模型。复杂器官芯片的一个显著例子是用于女性生殖系统的EVATAR系统，该系统在微流控系统中包括卵巢、输卵管、子宫、子宫颈和肝脏的独立器官模块，以模拟体内女性生殖道。新的器官芯片设备的发展围绕着生理学相关的机械和流体参数的结合，如剪切应力、机械应变和压缩，以及灌注成分，包括但不限于额外的悬浮细胞(如免疫细胞)、兴奋剂(如激素和药物)和气态物质(如氧气和二氧化碳)。已经证明，通过模拟可比体内系统的表型特征，流的包含有助于成熟细胞培养。此外，器官芯片设备旨在利用不断增长的分析技术阵列来评估其中培养的组织的功能和生物力学，例如活细胞成像，分析物收集和电生理读数。微加工技术和组织工程技术的不断进步有助于使器官芯片设备成为一个可优化的细胞培养平台，能够再现各种器官系统的体内微生理环境。

与传统的二维培养相比，器官芯片设备具有更强大的生理微环境再现能力，已经开始在转化科学工作中发挥更重要的作用，特别是在药物开发领域。器官芯片中存在的最小器官功能单元提供了精确的生理微环境，这对药物开发和风险分析至关重要。特定疾病微环境的重现确保药物的功效——无论是从其功能还是针对特定器官系统——可以在药物开发的早期阶段得到适当的验证。与药物开发早期常用的动物模型相比，器官芯片模型可以更有效地识别潜在有用的新疗法，因为这些模型使用来自人类样本的组织和细胞系。基于人类的药物发现模型确保当潜在的新药被确定时，药物实际上针对人类受体或病理。如果没有这种对人类特异性的验证，先前的药物发现试验一旦从动物试验进入临床前试验，就会失败。此外，与临床前阶段的动物模型相比，这些人体器官芯片模型为潜在新药提供了更准确的药物毒性分析，因为它们也能够证明在动物模型中可能不存在的人体组织中的副作用。除了药物发现的生物学益处外，器官芯片设备还可以以高通量运行，这意味着许多潜在的新药可以快速连续甚至同时进行测试。由于器官芯片设备在生理和实验上优于传统的动物模型，器官芯片设备在制药行业提供了一个有前途的新途径。

大纲
传统的动物模型和细胞培养都不能很好地概括人类病理生理和人类水平的反应。另一方面，器官芯片平台允许研究人员通过提供一系列细胞和细胞外线索来精确地概括人体组织或器官的最小功能单元，从而控制组织组成和结构。这十年见证了学术实验室的开创性科学发展，一大批初创公司寻求转化这些平台，制药行业和监管机构也对其产生了真正的兴趣。毫无疑问，这些重要利益相关者的个人和合作努力将继续完善和成熟芯片上器官平台。因此，必须确定可能最终阻止这些系统的广泛传播和部署的任何基本设计和过程特征。从这个角度来看，我们将研究几个这样的障碍。首先，我们讨论了芯片器官发展中的各种利益相关者，以及他们在整个过程中的角色和责任。其次，我们强调了与聚二甲基硅氧烷(PDMS)相关的并发症，PDMS是广泛用于芯片器官制造的材料，并讨论了替代品。第三，我们讨论了工程设计过程，将促进功能齐全的器官芯片平台。最后，我们研究了制药行业采用的途径，特别是考虑到FDA现代化法案2.0。我们认为，认识和纠正这些障碍尤其及时，因为这些技术正开始由预期的最终用户(疾病生物学家、制药公司和监管机构)进行测试和验证。

器官芯片技术的应用前景
随着2010年具有里程碑意义的《芯片上的肺/肺器官芯片（Lung on a Chip）》的发表，以及资助机构的大力支持，芯片上的器官技术已成为生物工程中发展最快的领域之一。虽然芯片上器官的基础应用可以归因于微流体、干细胞技术和组织工程的学术融合，但目前主要的推动力之一是制药公司对将这项技术应用于药物开发的兴趣。因此，新兴的生物技术公司组成了一个生态系统，帮助“芯片上的器官/器官芯片（Organs on Chips）”走出学术研究实验室，进入药物研发领域。在美国，创业公司已经从学术机构中剥离出来，主要专注于利用独特的芯片器官模型提供研究服务。在欧洲，器官芯片技术的扩展是由3D类器官公司和微流体公司推动的，这些公司希望将器官芯片应用添加到他们的产品组合中。这些初创公司的价值主张主要集中在为潜在客户优化提供更好的数据。然而，器官芯片平台面临许多技术和监管障碍，这可能会使其在工业应用和临床前试验中的广泛采用复杂化。

新药开发的前景是任何产品开发管道中最令人生畏的。据估计，制药公司将一种新药推向市场的平均成本约为20亿美元，这个过程可能需要15年以上的时间。尽管投入了大量的时间和金钱，药物批准的临床成功率仍然保持在10%到20%之间。然而，这个问题并不新鲜。药物研发效率的高流失率和整体下降已经有30多年的记录了。一个反复出现的罪魁祸首是动物模型，它们不能充分预测治疗性化合物在人类身上的安全性和有效性。美国食品和药物管理局(FDA)传统上需要动物研究的数据，例如安全起始剂量和潜在毒性水平，以确保能够安全地进行人体临床试验。虽然传统的高通量药物筛选方法在排除无效药物方面是有效的，但这一过程往往不利于这些早期的全身毒性研究。作为动物研究的替代模型，芯片上的器官提供了这种安全性信息以及遗传毒性、药代动力学、ADME(吸收、分布、代谢和排泄)、生殖毒性和致癌性。除了潜在药物对目标组织的直接影响，正如在高通量药物筛选中筛选的那样，器官芯片还能够通过几种不同类型的器官芯片的连接来解决系统毒性问题。通过不同芯片的联动，可以结合药物对原代组织的作用来检测药物对肝功能或肾功能的影响。串联或并联多个芯片的使用可以模拟药物通过不同身体隔室的自然过程，并提供有关药物潜在全身毒性的更多信息，有助于在药物鉴定过程的早期阶段排除有毒药物。

美国食品和药物管理局(FDA)和其他监管机构在概念上支持新方法，并已传达正在考虑将这种接受付诸实践的战略。为此，FDA成立了一个替代方法工作组，专注于新的和现有的体外模型的标准化，以确保生成的数据具有可比性和最高质量，并且研究是稳健的、可重复的、相关的和适合目的的。替代方法小组还促进与有兴趣在毒理学中实施替代方法的全球监管机构的互动。为响应2016年《21世纪治愈法案》，FDA还启动了新药创新科学和技术方法(ISTAND)试点项目，该项目旨在支持开发，并在某些情况下支持用于监管决策的药物开发新方法的资格认证。此外，随着2023年FDA现代化法案2.0的通过，动物试验要求发生了变化，为器官芯片的广泛应用开辟了道路。器官芯片技术对药物研发管道产生重大和持续影响的前景令人兴奋。将Gartner新兴技术的炒作周期范例应用于芯片上的器官(图1)，如果最初具有里程碑意义的出版物和大胆的资金投资是最初的“创新触发器”，那么我们现在可能处于“膨胀预期的顶峰”。我们认为，如果技术提供商、潜在的技术消费者和监管机构尽早、经常地参与进来，芯片上的器官或许可以绕过通常由实施失败引发的“幻灭低谷”。所有利益相关者的共同努力可以帮助确定这些新技术的广泛市场适用性和相关性，最终导致主流采用。

图1: Gartner芯片上器官的炒作周期。

Gartner关于芯片上器官的炒作周期展示了芯片上器官发展中的关键事件如何激发科学界和一般社区对芯片上器官的期望。它还警告说，如果芯片器官的传播因缺乏利益相关者的参与而受到限制，可能会出现幻想破灭的情况。

器官芯片的相关利益者
在这里，我们将讨论芯片上器官开发中利益相关者的角色和责任: 工程开发人员、生物学家采用者、芯片上器官初创企业、制药行业和监管机构(如图2所示)。重要的是要注意，虽然这些各方的角色和责任不同，但它们并非完全脱节。它也不是所有利益相关者的详尽清单。然而，设计和传播一个易于获得、可用和对最终用户有价值的经过验证的芯片器官需要所有这些利益相关者之间的协作和伙伴关系。

图2: 芯片上器官迭代开发过程中的利益相关者参与情况。

对芯片上器官的开发和使用至关重要的循环和迭代过程的可视化表示。在每个部分中，个人利益相关者的一般角色在其个人迭代过程中得到强调，以及他们在芯片器官广泛传播方面的作用。

工程师负责在迭代的设计、构建和测试过程中提供必要的工程技能和知识，以构建功能芯片上的器官及其相关的控制系统。工程师必须正确理解体内生物力学和环境生态位，以便将其转化为能够代表组织和器官水平功能的最小功能单元。其他需要考虑的生物力学和环境因素可能包括培养温度、流动方向、基膜特性、生化梯度、氧合和机械扰动等。生物医学工程师不仅要考虑建模系统的物理和生物需求，还要考虑最终用户的实验需求，无论最终用户是谁。芯片应设计成与已建立的实验工具和分析方法接口，如活细胞成像、分析物收集、电生理读数和任何其他离线工具。所使用的材料和流体控制模式也应考虑到最终用户的制造能力、技能和所需的可扩展性。

生物学家在一定程度上负责适当地确定解决特定生物学问题所需的最小功能单元，其生物成分和调查需求。在不存在或功能不良的细胞系的情况下，它们有助于细胞系、组织、类器官和组装体的发育，以在芯片上的器官中进行研究。作为为芯片上器官开发带来最多生物学知识的利益相关者，生物学家还负责帮助验证设备的生物学和功能读数。作为一个循环开发过程，它们的作用既不是真正的开发的结束，也不是开发的开始，而是在所有阶段都必不可少。

芯片器官初创公司和相关行业的作用是建立其技术的转化相关性。他们必须了解性能指标、理想的使用环境和平台的性能限制，以便他们可以根据当前标准进行基准测试，并且可以适当地解释临床前试验的结果。这对于有效管理投资者和公众对设备性能的期望也是至关重要的。监管机构评估这些方法在特定使用环境中的准备情况，并最终决定将其作为药物发现工具。

作为主要的最终用户之一，制药行业评估特定器官芯片技术的价值主张是基于它是否可以用于内部决策，或者如果确实，该技术已经有资格作为药物发现工具。重要的考虑因素，如读出吞吐量、数据的可再现性以及与自动化的兼容性，通常会推动决策制定。其他潜在的最终用户包括疾病生物学实验室，这些实验室通常不具备传统的工程技术或微流体经验。因此，用户的需求可能差别很大;因此，芯片上器官的设计和传播策略需要仔细考虑最终使用平台的背景。

芯片上器官的材料和制造
传统的基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的微流体装置利用光刻和软光刻的结合来生成封闭的微尺度通道，用于流体和细胞培养(图3A)。在该方法被发现的十多年后，该方法被应用于复杂的微流体通道几何形状和多孔结构层，从而开发了第一个芯片上的器官，以及随后的大多数芯片上的器官设计。PDMS已成为芯片上器官的首选材料，因为它具有低细胞毒性、光学透明性、透气性和已建立的制造方法等特性，适合于生物应用。尽管采用PDMS作为芯片上器官原型的标准材料，许多限制已被确定。疏水性化合物的吸附和未交联的低聚物的浸出是采用基于PDMS的芯片器官进行药物发现分析的最大障碍。人们已经做了大量的工作来模拟PDMS的吸附特性，以优化设计参数，最大限度地减少吸附，减轻PDMS对药物发现研究的影响。除了优化芯片上器官的几何形状外，PDMS的吸附还可以通过使用聚对二甲苯和多酚等涂层来降低PDMS的气体和溶剂渗透性。此外，由于光刻制造方法的限制，基于pdm的微流控器件中的通道的最大高度约为200μm，这通常禁止它们用于培养大型球体和类器官。鉴于PDMS固有的局限性，有必要从替代材料中开发芯片上的器官。

图3: 基于PDMS和塑料的芯片器官制造方法。

A 基于芯片上器官的光刻技术首先通过标准的光刻方法形成具有凸起特征的模具。然后可以将PDMS浇铸到模具上，形成具有负空间的PDMS芯片，这些负空间形成最终基于PDMS的芯片器官的微流体通道。B 微铣削器官芯片设备是通过减法制造技术铣削的。微加工工具从塑料基板上去除多余的材料，从而形成单个芯片上器官的通道和特征。C 3D打印芯片上的器官是通过热塑性塑料薄层的顺序沉积形成的，以形成芯片上器官的形状和特征。D 注射成型芯片上的器官从创建一个可重复使用的外部模具开始，该模具具有与芯片上的器官设计中的负空间相对应的积极特征。然后可以用液体热塑性塑料填充模具。一旦热塑性塑料已经设置，压器官芯片可以从模具中取出。

在芯片器官社区，PDMS的问题是众所周知的。关于塑料基微流体装置的制造和使用有大量的文献，它可以作为基于PDMS的芯片器官的替代品。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA或丙烯酸酯)等塑料成为PDMS的流行替代品，因为它们易于制造，并且具有类似的生物和实验优势，例如光学清晰度和生物惰性，基于塑料的芯片器官可以通过微磨、3D打印和注塑等方法制造，每种方法在不同的开发和使用阶段都有好处。

基于热塑性塑料的芯片器官可以很容易地通过微铣削制造(图3B)，这是一种减法制造技术，其中选择性地去除基板会在基板中产生微尺度特征。芯片上的器官与传统的基于pdm的芯片上的器官具有相似的复杂程度，可以通过使用计算机数控的微铣床制造。计算机辅助设计模型是使用AutoCAD或SolidWorks等软件实现的。一旦转换成铣削代码，多轴铣床从工件上去除材料，形成最终的切屑设计。微铣削特征的尺寸限制取决于轴电机的最小步长和轴的总数;更先进的铣床通常有更小的电机步长和更可移动的轴，允许制造更小和更复杂的特征。微加工平台也更容易进行内部原型设计，因为微铣床可以很容易地在大多数没有洁净室的实验室空间中安装。内部原型设计还允许在新设计之间快速迭代。

与微铣削一样，3D打印可用于制造复杂的芯片器官。3D打印是一种增材制造形式，依赖于衬底层的连续沉积来形成最终产品(图3C)。虽然有几种类型的3D打印机，包括多喷打印、选择性激光烧结和立体光刻，但它们都依赖于材料在单个XY平面上的局部沉积或固化。一旦单个层完成，挤出头或平台在Z轴上移动，开始在新层上制造。整体的复杂性受到最小层高度和所使用打印机的XY分辨率的限制。通过连续分层材料，3D打印允许制造复杂的悬垂和结构，这是不可能通过微铣或注塑成型形成的。与微铣削一样，3D打印机可以成为内部快速原型设计的宝贵工具，部分原因是设置3D打印机所需的低成本和小实验室占地。随着更大更复杂的3D打印机的使用，通过3D打印制造芯片上的器官可以扩展到工业用途。因此，3D打印对于芯片上器官的开发阶段以及大规模使用的生产是有用的。

一旦芯片上的器官设计完成，其大规模生产的流行方法是注射成型(图3D)。这个过程在大规模上是非常经济有效的，并且可以快速生产相同的塑料设备。该工艺需要加工一个负模，由两个或多个部件组成，这些部件可以夹在一起形成一个模具，该模具具有模仿设计的最终产品的腔。然后热塑性塑料被加热并注入模具，完全填充型腔。然后让塑料在取出之前冷却并在模具内凝固。这个过程可以很容易地通过连续填充组连接的基础模具，并消除塑料设备之间的多余材料后制造。由于模具可以多次重复使用，因此该工艺的启动成本很高，但在大规模使用时具有令人难以置信的成本效益。注射成型的成本效益使其成为芯片上器官工业应用的主要制造技术，但其高昂的启动成本可能限制其用于初始原型。

通过微铣削、3D打印和注射成型制造的塑料微流体装置是芯片上器官PDMS的可行替代品。每种方法都有优点和缺点，可能会根据芯片上器官或最终用户的发展阶段改变使用哪种方法。无论制造方法如何，基于塑料的芯片上器官在芯片上器官发展的各个阶段都变得越来越流行。尤其重要的是，在原型阶段早期就考虑到这一点，以避免在利益相关者之间移动和需要迭代重新设计时需要重新验证芯片上器官设备。然而，芯片上器官的广泛传播和使用也需要开发一个完整的微流体系统，包括外围支持和分析设备，使芯片上器官可用于执行广泛的生物实验。

器官芯片平台的开发
从更广泛的角度来看，一个完整的器官芯片系统需要额外的组件，如电子，软件和流体处理系统。因此，系统工程方法对于设计和管理实际平台所需的各种组件是必要的。这通常需要结合机械、电气和计算机工程的多学科工程方法，并考虑到开发活生物系统的独特考虑。根据最终用户的需求和工作流程，对基本功能元素进行了概念化和安排，以开发平台配置。接下来，对功能元素进行识别和分组，以确定平台中最重要的组件。此阶段的组织要素可以帮助确定设计的关键特征，并减少处理潜在故障模式所需的时间。这个过程也可以用来有效地将利益相关者聚集在一起，并促进围绕需求和期望的对话。总的来说，仔细规划和理解芯片上器官的操作过程对于开发有用的设备和系统至关重要。在芯片器官即将到来的青春期，我们开始看到更完整的平台的发展，虽然这些平台刚刚开始商业化。

适用途径
平移相关性（translational relevance ）是任何新的非临床模型系统(基于细胞的检测，器官芯片平台或动物模型)的基础，旨在帮助理解，预防或治疗人类疾病。定义翻译相关性的原则包括:人体生理学和病理生理学(器官反应或疾病状态/发病机制)的复制、遗传学、表观遗传学和/或人类细胞的分子生物学。如果要广泛采用诸如芯片上的器官这样的新方法，以减少药物发现和生物医学研究中对动物模型的依赖，那么它们将有望满足转化的期望。基于该方法的表现(跟踪记录)获得足够的合法性是科学家和组织成功采用该方法的关键。一旦一种方法证明它在预测或解释人类状况或结果方面与其他模型相当或优于其他模型，就可以将其作为一种选择模型。最终，芯片上器官的性能决定了该技术或方法是否可以用于回答一个明确的和具体的研究问题。尽管所有的新方法都以性能的不确定性开始，但是为了加速采用，需要减少不确定性的资源投资。采用途径的重要组成部分及其在药物发现管道中的纳入包括验证，定义使用环境，作为适合目的的药物发现工具的资格认证以及最后的基准。

验证过程从评估平台敏感性、特异性、精密度、稳健性、可重复性和稳定性开始。它还试图确定芯片上器官产生的终点与临床读数之间的相似性，以及在芯片上器官平台上产生类似效果的临床有效干预措施的预测性演示。定义使用环境涉及到确定新兴技术的确切用途。它描述了器官芯片成功地用于执行任务的条件，以及人们应该期望它做什么。鉴定是根据预先确定的性能标准确定芯片器官是否适合其预期用途的过程。资格认证过程还旨在解释如何将方法的结果用于决策。符合目的声明表明，器官芯片检测或方法具有“足够好的”验证/资格信息来支持其使用背景。最终，终端用户通常会进行基准测试研究，使用具有良好特征的内部基准数据集严格比较不同方法的性能，为当前平台的改进提供指导或指导对替代平台的投资。

任何新兴技术或方法的资格方案都高度依赖于问题(或机制假设)的复杂性和回答这些问题所需的病理生理学。例如，如果器官芯片技术有望减少对肺纤维化动物模型的依赖，那么新方法将有望概括存在于人类中的潜在分子和细胞机制。对严格资格审查程序的期望涉及如何使用数据、这些数据将为哪些决定提供信息以及这些决定对人类健康的潜在后果。例如，当使用背景是新药的安全性评估与基本生物学应用(如了解宿主-病原体相互作用)时，对严格性的期望可能不同。

总结
芯片上器官的快速发展主要是由制药公司的兴趣推动的，这导致了对该领域行业标准的需求。然而，标准化不能扼杀创新。正确解决各种应用的转化障碍是芯片上器官发挥其最终潜力的关键。虽然这些障碍的解决应该会减少缓慢采用者的恐惧，但与行业合作伙伴的对话将有助于定义重要的里程碑，例如吞吐量、每个数据点的成本，以及在成本和时间节省方面的价值主张的演示。通过促进对个人利益相关者在芯片器官开发中的作用的理解，它们可以更容易地在药物发现和开发的多个阶段实施。然而，应该谨慎地避免将器官芯片技术的范围缩小到制药公司所期望的药物发现和高通量应用。相反，在芯片器官技术的整个开发和传播阶段，应该牢记所有潜在的最终用户。芯片上的器官的广泛传播需要认识到，这种高度跨学科的努力不仅在科学上是肥沃的，而且还需要为科学努力引入一个新的框架，在这个框架中，工程师、科学家、工业界、资助机构、投资者和监管机构都在为这些高度创新和有影响力的系统的每个发展阶段做出贡献。

前景
一旦本文提出的芯片上器官的广泛传播和部署框架被一般科学界接受和使用，芯片上器官就有可能成为基础生物科学、转化临床科学的核心研究工具，也有助于新疗法从实验室到床边的过渡。对于基础生物科学研究，芯片上的器官可以提供许多器官系统的模型——通过培养离体组织样本或组织工程样本——比2D培养模型或动物模型更准确地匹配人类的细胞、生理和遗传特征。像制药行业这样的转化科学将极大地受益于芯片上器官潜在疗法的高通量测试，而不会有在临床前测试阶段困扰传统动物模型的人类不敏感的风险，比如从小鼠模型转移到人类模型时失去靶向性，或者在人类身上存在其他物种不存在的毒性。展望芯片上器官在研究和开发领域的应用之外，它们在基础科学和工业中的广泛应用以及监管机构的持续采用将有助于打开芯片上器官在个性化医疗方面的潜在临床应用。通过使用来自单个患者的细胞系，芯片上的器官可以用来确定对患者有最具体影响的治疗方法，同时也可以最大限度地减少他们的个人不良副作用风险。芯片上的器官有可能被广泛应用于临床环境，从各种药物选择中确定最佳选择，就像细菌培养用于选择特定的抗生素一样。为了开启芯片上器官的实际和有前途的临床应用，我们必须从鼓励在科学界和相关监管机构内广泛传播和部署芯片上器官开始。如果没有进一步的传播，芯片上的器官就有可能成为一个小众的实验工具。当试图在主流药物发现中定位器官芯片平台时，采用翻译相关性原则来定义鉴定和/或验证途径并建立定义良好的使用环境是合理的。按照我们在此描述的框架，科学界和监管机构可以合作形成使用芯片上器官的最佳实践，并促进它们在新的研究领域的采用。随着芯片上的器官得到更广泛的应用和获取，这些设备的全部潜力可能会实现。


参考文献：
Alver, C.G., Drabbe, E., Ishahak, M. et al. Roadblocks confronting widespread dissemination and deployment of Organs on Chips. Nature Communications, 15, 5118 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48864-3

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