器官晶元面面觀

據麥姆斯諮詢報道，從跳動的心臟到會呼吸的肺，器官晶元已經成為人類生物學研究中最熱門的新興工具之一。儘管與人體部位相比，這些器件可能更接近計算機組件，科學家們已經為所有器官創建了工作模型，包括肝臟、肺，甚至是女性生殖系統。

研究人員希望使用這些器件來模擬疾病並促進藥物開發。哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所主任Donald Ingber向《科學家》雜誌表示，「我認為對大多數人來說，共同目標是以更有效的方式取代動物實驗並展開個性化醫療。」

小型肺

一款具有充滿氣體（黃色）和中等填充血樣（藍色）通道的肺泡晶元，內部均排列了人體細胞，以模仿器官功能

據麥姆斯諮詢介紹，Wyss研究所的科學家們已經開發出15種不同的人體器官晶元。研究所開發的第一款器官晶元是肺器官晶元，是一款透明、U盤大小擁有兩條通道的器件，空氣填充的上層通道排列有肺泡上皮細胞，下層通道排列有血管細胞，含有白細胞的溶液會從通道中流過。

為了更接近地模擬人類生物學，研究人員利用真空使主通道內的中空管變形，藉此來模擬呼吸運動。

「研究團隊在晶元上的創新基於我的研究，結果顯示，對於組織開發、維護和功能而言，機械外力和化學、基因學一樣重要，」Ingber指出，「這款肺泡晶元能夠為模擬正常器官的生理水平和疾病，發掘物理力的重要性，尋找新的治療靶點，更甚至研發出新型藥物，提供原理論證。」

Ingber及其同事也將機械外力引入了其它器官晶元，例如模擬腸蠕動運動的腸道晶元，以及模擬血管脈衝的腎臟晶元。

呼吸道晶元上的人體支氣管上皮圖像特寫，粘液轉運纖毛（粉紅色）從上皮細胞（藍綠色）伸出到充滿空氣的管腔

研究團隊的最新發明之一是氣道晶元，除了被取代的肺泡細胞，該器件類似於最初的肺晶元，晶元上排列著人體支氣管上皮細胞。研究團隊利用這些晶元模擬慢性阻塞性肺氣腫疾病及哮喘。他們也使用這些器件研究吸煙對支氣管上皮細胞的影響，這些器件會被連到一台能夠點燃香煙並呼出煙霧，類似人類吸煙行為的機器。

創建血腦屏障

神經血管單元（Illustration of the NeuroVascular Unit, NVU）晶元圖例，這是一款人類血腦屏障模型。多孔膜分離了大腦建模腔室和代表周圍血管系統的腔室

據麥姆斯諮詢報道，來自范德堡大學（Vanderbilt University）的生物醫學工程師John Wikswo及其帶領的團隊已經創造出一款能夠研究大腦和血腦屏障的晶元。

Wikswo writes在採訪郵件中告訴《科學家》雜誌，「我們之所以選擇研究人體神經血管單元，是因為皮質神經元和保護它們的血腦屏障（blood-brain barrier, BBB）之間的相互作用極其重要，因此把它稱為神經血管單元。」

人體神經血管單元晶元由一個微型腔體構成，該微型腔體通過一個多孔膜分隔出一個代表大腦的腔室以及一個代表周圍血管系統的腔室。晶元上含有來自人體的皮層神經元、微血管內皮細胞、星形膠質細胞和血管周圍細胞。根據Wikswo的說法，這種組織結構「使我們能夠研究神經元和其它細胞對通過血腦屏障傳遞出來的藥物和炎症信號的代謝反應」。

該團隊已經將神經血管單元晶元納入一系列應用，例如調查疾病狀態並研究炎症對疾病的影響。目前，該團隊也正在啟動一個新項目，利用這項技術幫助製藥行業進行藥物測試。

跳動的心臟

晶元上實驗小白鼠心臟組織的顯微圖像，心肌細胞（紅色）、細胞核（藍色）和肌動蛋白（綠色）

據麥姆斯諮詢報道，Megan McCain是南加州大學（University of Southern California）生物醫學工程的一名教授，致力於心臟晶元的研究，橡皮擦尺寸大小的器件內可以容納活的、跳動的心臟細胞。創建該器件的第一步是從患者身上提取皮膚細胞並將其重新編程成幹細胞，之後將其培養成心肌細胞。第二步是將這些細胞放在通過生物工程製成的晶元表面上，從而創建心臟的自然環境。McCain指出，「我們感興趣的關鍵指標是力的生成。」

2014年，當時還供職於Wyss研究所的McCain使用心臟晶元模擬了巴氏症候群（Barth syndrome），這是一種罕見的，與心肌減弱有關的遺傳性疾病。目前，她的團隊正致力於使用心臟晶元研究其它疾病。McCain告訴《科學家》雜誌，「建立疾病模型是我認為心臟晶元所能發揮的最大作用，尤其是遺傳性疾病。即使我們給出基因剔除鼠模型，我們也無法捕獲人體疾病的方方面面。」

模擬眼

擁有微流控通道（黃色）的眼睛晶元，能夠將營養物質帶給位於圓形支架中心的細胞。該團隊還開發了一個微工程眼瞼，能夠在晶元上模擬眨眼

曾經在Ingber實驗室學習的博士後，來自賓西法尼亞大學（University of Pennsylvania）的生物工程教授Dan Huh和他的同事創建了這款眼睛晶元，以及能夠眨眼的眼瞼。

該晶元的尺寸和形狀與隱形眼鏡大致相同，接近眼表大小。晶元上包含來自角膜和結膜（覆蓋眼睛的粘膜層）的人體細胞。研究團隊也設計了眼瞼，附在晶元表面模擬眨眼的效果，幫助保持晶元表面的潤滑。

Huh說道，「我們發現眨眼運動對眼球表面組織的維持至關重要，我們正在利用該平台模擬某些慢性眼睛疾病，如乾眼症。」根據Huh的說法，他的實驗團隊計劃使用眼睛晶元來模擬其它眼睛狀況，用於藥物測試和開發，以及進一步測試和優化隱形眼鏡。該團隊目前也正在開發視網膜晶元。

「眼睛是我們實驗室的重點研究領域之一。」Huh強調道，他和他的團隊也研究其它各類器官晶元，包括肺和胎盤。

模擬月經

EVATAR是一款口袋大小的女性生殖系統模型，血樣流體（藍色）將流經含有微型器官的孔

據麥姆斯諮詢介紹，許多研究團隊都想要將不同的器官晶元整合，以重新創建器官系統，甚至是整個人體模型。西北大學（Northwestern University）婦產科教授Teresa Woodruff及其同事在一塊手掌大小的晶元上整合了五種微型器官，成功建立了女性生殖道模型。

這款被稱為EVATAR的晶元由一系列管道和微泵構成，流經細胞的藍色的血樣流體內包含5種迷你器官：輸卵管、子宮、陰道、卵巢和肝臟。Woodruff表示，「該系統幫助我們實現以攜帶新鮮營養、移除廢物的方式運送介質，這種運行方式與人體無異。」通過向循環液中增加激素的方式，該團隊得以模擬28天的月經周期。

該研究團隊希望利用EVATAR來闡明生殖生理及其相關疾病，以及相關的藥物測試和研發。他們也在研究一款男性版本的晶元，並將其命名為ADATAR。

互聯

研究人員將多器官平台連接到相關軟體，每個孔都連接有一個微型生理系統，如肺、腸道，或中樞神經系統，流體流經通道以模擬生理心臟輸出

據麥姆斯諮詢報道，來自麻省理工學院（MIT）的生物工程教授Linda Griffith及其同事是由美國政府國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency, DAPRA）資助項目的兩組團隊之一，他們創建了「身體晶元」，將10種不同的迷你器官系統與集成電路連接。另一組團隊來自Wyss研究所。

根據Griffith的發言，他的團隊最近「完成了DARPA的一個重要里程碑，在一個月內將10款器官微生理系統連接在了一起。」

連接多種器官晶元，能夠幫助研究人員了解器官之間的相互作用。在他們最新的一次試驗中，Griffith及其團隊研究了炎症在相互連接的人體腸晶元和肝臟晶元中的作用。這項研究顯示了除其它影響因素外，兩個器官之間的串擾是如何影響基因表達和組織特異性功能的。

Griffith說道，「我認為目前該領域正處于思考器官內和器件間多種細胞類型相互作用的複雜生理學的早期階段，尤其是當涉及到組織細胞與免疫系統相互作用的情況。我們的項目很大部分的關注重點在免疫學領域。」

人體晶元的藝術表現接近於體外生物學，生物工程設備培養了許多能夠代表每個器官最小功能單元的3D組織培養

太空中的大腦晶元

Emulate的器官晶元，如大腦晶元，包含排列成千上萬活的人體細胞和組織的微小中空通道，每個都有大約AA電池（5號電池）大小

據麥姆斯諮詢報道，為了將Wyss研究所開發的器官晶元技術商業化，初創公司Emulate誕生了，公司產品包括肺心片、肝晶元和腸晶元。雖然上述晶元具有不同的細胞類型和功能，但標準化設計使它們的外觀看起來很相似。該公司最近宣布了將其大腦晶元發送到國際空間站（International Space Station）的計劃，用於研究除其它因素外，血腦屏障、壓力和炎症將如何影響腦功能。

該公司的腦晶元包含神經元和血管內皮細胞，可用於模擬生理和血腦屏障。Emulate公司的總經理兼首席科學官Geraldine Hamilton解釋道，「我們不僅僅是重建整個大腦模型，也包括器官的最小功能單元。在上述情境中，我們採取由微血管內皮細胞、神經元、星形膠質細胞和周細胞構成的血腦屏障，這些細胞以特定方式進行相互作用，也需要以特定方式進行組織，這就是我們在大腦晶元——如此小的尺寸上需要重新創建的東西。」

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