器官芯片在医学研究中的应用

2024/08/22 分类:新闻中心行业新闻 38 0

类器官是体外诱导多能干细胞发育后含有至少一种细胞类型的器官复合体模型。在适当的空间限制下，具有相似粘附特性的干细胞将迁移到特定位置并自我组织分化，从而形成与体内靶器官相似的结构和功能特性。与2D细胞和动物模型相比，类有机物是具有细胞复杂性的生物体，更接近体内细胞的生长状态和功能结构，在模拟人体各器官的发育、稳态和疾病方面具有广阔的应用前景。

1、器官发育模型的构建和发育生物学研究

器官芯片能够准确模拟靶器官的组织结构。微通道被用作可溶性因子的来源和分布途径，以控制ECM中生化浓度梯度的分布，并在体内诱导类似的增殖区域化。细胞间的相互作用在维持内部环境温度和信号传导方面很重要。器官微阵列可以使用集成培养箱模拟体外器官运动。

2、疾病模型的构建与应用

疾病模型的构建是癌症研究的一大难点，包括肿瘤的发生与发展、发育障碍、微生物感染等。在器官芯片上培养患者源性肿瘤细胞或iPSCs在构建特定疾病模型方面具有巨大潜力，可以实现对患者的个性化治疗。器官芯片还可以在体外模拟各种器官特异性疾病状态，如肺水肿、血栓形成、哮喘、慢性阻塞性肺病和炎症状态。这样可以研究疾病的病理机制、治疗干预效果和潜在的靶外效应，可以有效降低临床发展阶段的失败率，也可以在精确医学中指导患者的临床用药。

3、药物研发

药物开发需要考虑药物的药代动力学、毒副作用、给药系统效率等。然而，由于缺乏实用和可控的临床模型，药物开发过程变得昂贵和漫长。器官芯片因其高通量、高集成度和重复性等优点，可以降低药物开发成本，在药物筛选和药物分析中得到广泛应用。仿生微生物可以模拟不同器官的结构和生理过程，再现器官之间的相互作用和串扰，进行更复杂、更具生理意义的药物研究。在单个芯片上集成多个器官类型需要优化每个器官物种芯片上相应阵列中的介质和物理条件。

4、免疫应答

类器官培养过程中免疫细胞、关键基质细胞和细胞因子的丢失限制了用于化疗和靶向药物筛选的患者衍生类器官的功能测试。研究表明，癌症与免疫细胞之间的相互作用存在个体差异和器官差异。因此，通过器官芯片培养肿瘤细胞和免疫细胞，模拟肿瘤微环境，并通过器官芯片捕获细微的动态变化，可以克服这一困境。

5、毒性评估

暴露于人体组织的毒性和未知的安全问题是潜在候选药物失败的主要原因。毒性评估的主要靶组织包括肝脏、心脏、肾脏、血管系统和大脑。为了评估药物对这些器官的毒性，通常采用高通量、简单的细胞培养分析，这种分析可以模拟复杂的反应，但不能复制对化合物或动物的复杂系统反应，也不能准确预测对人体的影响，而器官芯片可以准确评估药物毒性。

作为一个新兴领域，器官芯片更易于操作和控制，从而尽可能全面地反映人体发育的内部环境。器官芯片以微型结构为特征，高通量和高灵敏度的特点。Emulate Bio所提供的开放灵活的器官芯片平台，它已应用于许多生物学领域，如开发或疾病模型构建、药物开发、免疫反应治疗、微生物感染等。它使临床治疗方案更具预测性，并大大提高了实验效率。

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