近年來(lái)，類器官（Organoids）和器官芯片（Organ-on-Chip）技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究中取得了顯著進(jìn)展。類器官作為體外三維細(xì)胞培養(yǎng)模型，能夠模擬真實(shí)器官的結(jié)構(gòu)和功能，廣泛應(yīng)用于疾病建模、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而，類器官在培養(yǎng)過(guò)程中仍面臨著微環(huán)境控制不足、重復(fù)性差等挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，器官芯片技術(shù)通過(guò)模擬器官的微環(huán)境和生理?xiàng)l件，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的細(xì)胞培養(yǎng)和功能研究。將這兩者相結(jié)合，能夠有效克服各自的局限性，顯著提升類器官實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量和效率。NETRI團(tuán)隊(duì)在類器官（Organoids）與器官芯片（Organ-on-Chip）技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用上取得了顯著的進(jìn)展。他們通過(guò)創(chuàng)新的Duplex Well 3D器官芯片，顯著提升了類器官實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量和效率。

傳統(tǒng)的器官芯片通常基于2D培養(yǎng)細(xì)胞模型。這種2D系統(tǒng)中，細(xì)胞生長(zhǎng)在平面的表面上，盡管它們能在某種程度上模擬人體的細(xì)胞反應(yīng)，但它們通常不能提供與實(shí)際器官結(jié)構(gòu)和功能相匹配的環(huán)境。隨著技術(shù)進(jìn)步，研究者逐漸認(rèn)識(shí)到，3D細(xì)胞培養(yǎng)能夠更真實(shí)地模擬細(xì)胞在自然環(huán)境中的行為。

3D細(xì)胞培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)：

• 生理相關(guān)性強(qiáng)：3D結(jié)構(gòu)能夠提供更真實(shí)的細(xì)胞間相互作用和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）環(huán)境，這些是2D培養(yǎng)無(wú)法復(fù)制的。
• 細(xì)胞生長(zhǎng)和分化：在3D環(huán)境中，細(xì)胞能夠更多地接觸到周圍細(xì)胞和基質(zhì)，促進(jìn)了細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化和功能表達(dá)，尤其對(duì)于復(fù)雜的多細(xì)胞和組織模型尤為重要。
• 模擬復(fù)雜的生理狀態(tài)：例如，血液流動(dòng)、機(jī)械力作用以及細(xì)胞代謝等復(fù)雜因素，都能在3D模型中得到更好的模擬。

Duplex Well 3D器官芯片功能介紹

多孔膜隔離（Porous Membrane）：

• 多孔膜的作用：孔徑為400納米的多孔膜在設(shè)備中起到關(guān)鍵作用，將上下兩個(gè)池隔開(kāi)。這樣，下方池和上方池之間的物質(zhì)交換會(huì)受到控制（只允許分子物質(zhì)通過(guò)），同時(shí)保持一定的物理隔離。對(duì)于（eg：腸類器官）和（eg:骨類器官）的共培養(yǎng)，這樣的設(shè)計(jì)可以幫助模擬復(fù)雜的生理?xiàng)l件，如不同環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或信號(hào)分子等物質(zhì)的交換。
• 孔徑：400納米的孔徑適合進(jìn)行細(xì)胞級(jí)別的物質(zhì)交換，同時(shí)也可以防止較大物質(zhì)的跨膜流動(dòng)，確保實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性。

上方池和下方池設(shè)計(jì)（圖中黃色和藍(lán)色位置）：

• 上方池的功能：容量為142微升，適合放置不同類型的類器官模型。這個(gè)池設(shè)計(jì)支持二維或三維的細(xì)胞結(jié)構(gòu)培養(yǎng)，為類器官的生長(zhǎng)提供空間。通過(guò)此設(shè)計(jì)，可以在不同的環(huán)境中培養(yǎng)（eg：腸類器官）或（eg:骨類器官），控制各自的生長(zhǎng)條件。
• 下方池的功能：下方池用于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的灌注和細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)移。在（eg：腸類器官）和（eg:骨類器官）的共培養(yǎng)中，下方池也可以放置內(nèi)皮細(xì)胞，模擬血管和組織之間的相互作用。

進(jìn)液口與出液口：

• 進(jìn)液口：位于左側(cè)，用于引入培養(yǎng)介質(zhì)、藥物或其他成分。
• 出液口：位于右側(cè)，用于排出廢物和代謝產(chǎn)物。這個(gè)進(jìn)出水系統(tǒng)使得設(shè)備能夠持續(xù)維持實(shí)驗(yàn)條件，并模擬生物體內(nèi)的物質(zhì)交換過(guò)程。

流體跳線（紅色箭頭裝置）：流體跳線是指在類器官芯片內(nèi)用于連接不同微流道、實(shí)現(xiàn)液體或氣體交換的通道。微流控芯片通常由多個(gè)微流道組成，這些微流道通過(guò)流體跳線相互連接。它們是芯片內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)的核心，確保細(xì)胞、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、藥物和廢物能夠在不同區(qū)域之間順利流動(dòng)。
 

Duplex Well 3D器官芯片

• 輕量版（8個(gè)芯片）
• 完整版（16個(gè)芯片）

腦類器官構(gòu)建
背景和研究重點(diǎn)：
類器官的崛起：在過(guò)去的十年里，類器官作為一種非常創(chuàng)新的體外模型出現(xiàn)，并且不僅僅限于大腦，還涵蓋了多個(gè)器官。類器官是一種三維、自組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，具有很大的應(yīng)用潛力，尤其是在藥物發(fā)現(xiàn)、神經(jīng)毒性篩查等領(lǐng)域。

持續(xù)存在的問(wèn)題：

• 再現(xiàn)性差：目前類器官的主要問(wèn)題是缺乏良好的再現(xiàn)性，即不同實(shí)驗(yàn)之間的結(jié)果不一致，導(dǎo)致難以復(fù)制和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
• 技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用困難：將類器官技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化到工業(yè)規(guī)模也存在很大挑戰(zhàn)。如何在大規(guī)模生產(chǎn)中保持類器官培養(yǎng)的一致性和可重復(fù)性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

解決方案：

• 結(jié)合特定設(shè)備進(jìn)行培養(yǎng)：為了克服這些問(wèn)題，研究人員提出了一種解決方案，即將類器官的培養(yǎng)與他們的設(shè)備結(jié)合使用。這些設(shè)備可以提供非常受控的流體流動(dòng)，保持細(xì)胞微環(huán)境的穩(wěn)定，從而提高類器官培養(yǎng)的再現(xiàn)性。
• 工業(yè)兼容性：該方法的一個(gè)大優(yōu)點(diǎn)是與大多數(shù)工業(yè)化的檢測(cè)和自動(dòng)化過(guò)程兼容，這使得他們的技術(shù)更具前景，特別是在將來(lái)應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)。

類器官的應(yīng)用前景：

• 藥物發(fā)現(xiàn)和神經(jīng)毒性篩查：類器官，特別是大腦類器官，正在成為藥物發(fā)現(xiàn)和神經(jīng)毒性篩查中的重要工具。類器官能夠模擬器官的三維結(jié)構(gòu)和功能，為科學(xué)家提供更加貼近生理?xiàng)l件的研究平臺(tái)。
• 類器官智能化：作者還提到John Hopkinson的研究，他通過(guò)結(jié)合類器官和人工智能技術(shù)，探索類器官在智能化領(lǐng)域的潛力。這種結(jié)合使得類器官不僅限于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還可以進(jìn)行更為復(fù)雜的計(jì)算和預(yù)測(cè)。

使用“duplex well”芯片：

• 芯片設(shè)計(jì)：研究人員使用一種叫做“duplex well”的高效芯片來(lái)解決類器官培養(yǎng)中的問(wèn)題，并提高其可重復(fù)性，同時(shí)推動(dòng)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。該設(shè)備的設(shè)計(jì)在功能上對(duì)解決類器官培養(yǎng)的缺點(diǎn)非常有幫助。

芯片結(jié)構(gòu)：

• 芯片圖示：左側(cè)屏幕上顯示了芯片的示意圖。上面是從上方拍攝的設(shè)備圖像，展示了類器官在其中的培養(yǎng)情況。下方是免疫染色后的類器官圖像，便于觀察細(xì)胞的形態(tài)和分布。
• 雙層結(jié)構(gòu)：中間的示意圖顯示了類器官和其他細(xì)胞的布局。雖然圖中展示了類器官周圍有其他細(xì)胞，但此時(shí)可以暫時(shí)忽略這些細(xì)胞，重點(diǎn)關(guān)注類器官的培養(yǎng)方式。

類器官的培養(yǎng)方式：

• 開(kāi)放式和灌流式結(jié)構(gòu)：如Naseeba提到的，芯片的上層是開(kāi)放式的池，適合3D培養(yǎng)；而底部是灌流式的池，允許培養(yǎng)液流動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常有利于類器官的生長(zhǎng)，因?yàn)樗�既提供了足夠的空間支持三維細(xì)胞生長(zhǎng)，又通過(guò)灌流幫助維持良好的培養(yǎng)環(huán)境。

膜的特性：

• 不粘附膜：類器官與膜之間的接觸較少，類器官不容易粘附在膜上，這對(duì)于類器官的培養(yǎng)是非常方便的。這意味著類器官能自由浮動(dòng)或移動(dòng)，而不受膜的限制，從而更自然地發(fā)展。

培養(yǎng)液流動(dòng)的作用：

• 培養(yǎng)液流動(dòng)：底部的培養(yǎng)液流動(dòng)幫助維持培養(yǎng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡，避免細(xì)胞沉積或培養(yǎng)液的不均勻分布。這種流動(dòng)有助于提供均勻的營(yíng)養(yǎng)和氧氣供應(yīng)，從而促進(jìn)類器官的健康生長(zhǎng)。

優(yōu)化微芯片培養(yǎng)：
研究背景和目標(biāo)：
1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/span>

• 研究團(tuán)隊(duì)的首要目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化微芯片上的類器官培養(yǎng)，確保大腦類器官的可重復(fù)性。團(tuán)隊(duì)的工作地點(diǎn)是Statexocepiotec實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室隸屬于CEA，并且Elo目前正在這里進(jìn)行博士研究。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與變量：
1. 實(shí)驗(yàn)條件和變量：
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)整兩大變量來(lái)優(yōu)化類器官培養(yǎng)：

• 胚胎體引入時(shí)間點(diǎn)：選擇了三個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)將胚胎體引入設(shè)備進(jìn)行培養(yǎng)，分別是D+2、D+11和D+18。D+2、D+11和D+18代表從胚胎體發(fā)育開(kāi)始的不同時(shí)間點(diǎn)，用來(lái)觀察不同時(shí)期引入胚胎體對(duì)類器官培養(yǎng)的影響。
• 培養(yǎng)液更換方式：研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)三種不同的方式來(lái)更換培養(yǎng)液，這將直接影響細(xì)胞的微環(huán)境。具體方式如下：

• 底部培養(yǎng)液每?jī)商旄鼡Q一次。
  頂部培養(yǎng)液每?jī)商旄鼡Q一次（對(duì)于一種條件）。
  頂部培養(yǎng)液每周更換一次（對(duì)于另一種條件）。
  頂部培養(yǎng)液完全不更換（作為第三種條件）。

2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

• 研究的重點(diǎn)在于通過(guò)觀察不同培養(yǎng)液更換策略對(duì)微環(huán)境的影響，進(jìn)而確定最佳的培養(yǎng)條件。這些條件的變化將影響類器官的發(fā)育，尤其是對(duì)胚胎體及類器官周圍的微環(huán)境的影響。

觀察與結(jié)論：
微環(huán)境變化的影響：

• 研究團(tuán)隊(duì)特別強(qiáng)調(diào)，通過(guò)第三種條件（頂部培養(yǎng)液不更換），營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和各種因子只能通過(guò)擴(kuò)散的方式通過(guò)膜進(jìn)入培養(yǎng)環(huán)境。這個(gè)策略有助于了解在沒(méi)有頻繁更換培養(yǎng)液的情況下，類器官能否維持穩(wěn)定的發(fā)育和生長(zhǎng)。
• 微環(huán)境的穩(wěn)定性：通過(guò)這種方法，研究團(tuán)隊(duì)可以真實(shí)地觀察微環(huán)境穩(wěn)定性對(duì)胚胎體和類器官發(fā)育的影響，尤其是長(zhǎng)時(shí)間不更換培養(yǎng)液是否會(huì)影響類器官的發(fā)育。

對(duì)照組：

• 為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，研究團(tuán)隊(duì)還使用了傳統(tǒng)的24孔板和96孔板作為對(duì)照組，與微芯片上的培養(yǎng)條件進(jìn)行對(duì)比。這種對(duì)照實(shí)驗(yàn)有助于驗(yàn)證微芯片培養(yǎng)條件的有效性和優(yōu)越性。

這部分內(nèi)容展示了類器官在培養(yǎng)條件、結(jié)構(gòu)重復(fù)性和基因表達(dá)方面的良好表現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了其在藥物篩選和毒理學(xué)研究中的潛力。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)方法和進(jìn)一步深入分析，致力于提升類器官模型的可靠性和應(yīng)用范圍，為未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)研究提供有力支持。

1. 類器官形態(tài)及培養(yǎng)條件的可重復(fù)性
形態(tài)觀察：

• 在培養(yǎng)60天后，類器官在所有條件下均成功生長(zhǎng)。盡管從圖片上不易觀察，但實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，類器官在大小上的重復(fù)性更高。
• 使用duplex well器官芯片培養(yǎng)的類器官呈現(xiàn)出預(yù)期的圓形，沒(méi)有出現(xiàn)異常形態(tài)。

大小分布：
在duplex well器官芯片中培養(yǎng)類器官，大小的重復(fù)性顯著提高。這對(duì)于后續(xù)的應(yīng)用，如神經(jīng)毒性測(cè)試，至關(guān)重要。高重復(fù)性確保了類器官的表征和預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，避免因樣本差異導(dǎo)致結(jié)論的不準(zhǔn)確。

2. 類器官的結(jié)構(gòu)及細(xì)胞組成
C2架構(gòu)：

• 在60天培養(yǎng)后，類器官的視覺(jué)結(jié)構(gòu)雖然不易觀察，但在第三種培養(yǎng)條件下（屏幕最右側(cè)），不同樣本間的類器官形態(tài)高度相似，優(yōu)于其他條件，尤其是與24孔板對(duì)照組相比。
• 類器官中囊腫（cysts）的出現(xiàn)減少，這是有利的，因?yàn)檫^(guò)多的囊腫會(huì)影響類器官的功能和穩(wěn)定性。
• 類器官中存在具有預(yù)期形態(tài)的玫瑰體（rosettes），且類器官邊緣的結(jié)構(gòu)模式組織良好，顯示出良好的初步結(jié)構(gòu)形成。

3. 轉(zhuǎn)錄水平分析
基因表達(dá)：

• 通過(guò)RT-QPCR分析了SOX2、CHIP3、BCL2和BACs等基因的表達(dá)水平。
• 各培養(yǎng)條件下的基因表達(dá)水平與對(duì)照組相當(dāng)，但研究團(tuán)隊(duì)仍需進(jìn)一步深入研究，以確認(rèn)表達(dá)水平的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

4. 研究總結(jié)與未來(lái)方向
研究結(jié)論：

• 腦類器官在形態(tài)學(xué)上可重復(fù)地再現(xiàn)了已發(fā)表的預(yù)期結(jié)構(gòu)，具備正確的細(xì)胞類型和良好的空間架構(gòu)。
• RNA表達(dá)水平與對(duì)照組相當(dāng)，顯示出類器官在基因表達(dá)上的穩(wěn)定性。
• 目前的重點(diǎn)是提高類器官在大小和空間架構(gòu)上的重復(fù)性，并計(jì)劃進(jìn)一步研究細(xì)胞類型和基因表達(dá)的深入分析。

未來(lái)研究方向：

• 研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將胚胎體（embryonic bodies）置入設(shè)備中，并優(yōu)化培養(yǎng)基的更新方法。
• 下一步會(huì)構(gòu)建血腦屏障（blood-brain barrier）模型，在屏障兩側(cè)培養(yǎng)不同類型的細(xì)胞，如側(cè)面培養(yǎng)周細(xì)胞（pericytes）和星形膠質(zhì)細(xì)胞（astrocytes），底部通道培養(yǎng)腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞（brain microvascular endothelial cells）。
• 研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，類器官在藥物篩選和毒理評(píng)估方面具有巨大潛力，特別是在神經(jīng)毒性測(cè)試和化合物效果篩查方面，類器官的高重復(fù)性為可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果提供了保障。

5. 應(yīng)用前景

• 類器官作為細(xì)胞培養(yǎng)模型，能夠模擬人體組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能，為藥物研發(fā)和疾病研究提供了更為精準(zhǔn)和可靠的平臺(tái)。
• 通過(guò)類器官的高重復(fù)性和穩(wěn)定性，可以進(jìn)行大規(guī)模的藥物篩選，減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高研究效率。
• 未來(lái)，結(jié)合血腦屏障模型，類器官有望在神經(jīng)科學(xué)和腦相關(guān)疾病研究中發(fā)揮更重要的作用，提供更接近真實(shí)生理?xiàng)l件的研究環(huán)境。