可靠    创新    同行    发展

动物模型无法预测人类的治疗反应是一个主要问题，这也给它们在基础研究中的应用带来了问题。器官芯片(organ -on-a-chip, organ chip)微流控装置内衬在流体下培养的活细胞，可以高保真地再现器官水平的生理和病理生理。在这里，我回顾了单个和多个人体器官芯片系统如何被用于模拟复杂疾病和罕见的遗传疾病，研究宿主-微生物组的相互作用，概括全身器官间生理学，并重现人类对药物，辐射，毒素和感染性病原体的临床反应。我还讨论了器官芯片要被制药业和监管机构接受所必须克服的挑战，并讨论了该领域的最新进展。很明显，使用人体器官芯片代替动物模型进行药物开发和作为个性化医疗的活体化身越来越接近实现。

人们对寻找动物试验的替代方案非常感兴趣(方框1)，因为除了成本高、耗时长、伦理上存在问题外，动物试验的数据经常不能预测人类临床试验的结果。缺乏与人类相关的临床前模型，以及由此导致的临床治疗失败率高，导致医疗成本不可持续地上升，同时患者获得的有效药物也越来越少。来自社会和政府的压力也越来越大，要求寻找动物试验的替代品，美国食品和药物管理局(FDA) 2021年现代化法案和人道研究与试验法案(HR 1744)就是证据，目前这两项法案正在美国国会审议。重要的是，这些观察结果对目前主导基础研究和药物开发的基因工程小鼠和其他动物模型的严重依赖提出了质疑。

器官芯片微流控培养装置代表了最近在体外人类微生理系统的研究中取得的成功之一，该系统可以再现器官水平甚至生物体水平的功能。这种微生理系统的微流控形式有各种大小和形状(图1)，但它们都含有中空通道，通道内排列着在动态流体下培养的活细胞和组织。一些设备重建器官水平的结构(例如，组织-组织界面)，并提供相关的机械线索(例如，呼吸和类似蠕动的运动)，这是忠实地模拟器官生理和疾病状态所必需的。通过流体耦合两个或多个器官芯片，可以创建人体“芯片上的身体”多器官系统，模拟全身生理以及药物分布和处置。干细胞技术的进步，如诱导多能干细胞和类器官，使患者特异性干细胞的来源成为可能，这些干细胞现在可以在器官芯片中整合和分化，以创建患者特异性的临床前模型。

图1:微流控器官芯片设计范围。

a |一种光学清晰、双通道、机械可动的器官芯片，由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，采用软光刻技术，两个平行通道由柔性微孔膜分开。不同的组织细胞在中央细胞外基质(ECM)涂覆的膜的顶部和底部培养，该膜具有微米大小的孔，以重建允许细胞迁移的组织-组织界面，并且可以在上皮上方引入空气以创建气-液界面(例如，在肺中)或液体可以通过该通道灌注。对中空侧室的循环吸入导致柔性膜和附着组织的节律性扭曲，从而模仿器官水平的机械扭曲(如呼吸运动)。b |三通道塑料(聚苯乙烯)芯片的多路复用阵列，在中心通道中包含一个厚的ECM凝胶，它没有固体侧壁，而是使用相位导向器来限制凝胶。细胞可以在一个或两个流动通道中培养，也可以在ECM凝胶中培养。c |凝胶化发生后，通过去除圆柱形心轴，在厚的3D ECM凝胶材料内形成一个或多个空心通道，细胞可以在通道的内表面以及这些塑料装置中的ECM凝胶内培养。d |一种多路PDMS微流控装置，包含两个内皮衬里的通道，由第三个充满ECM凝胶的钻石形腔分开，可用于支持毛细血管向内生长和3D微血管网络形成，由凝胶中的细胞(如肿瘤细胞)包围。e |一种塑料、多孔格式的器官芯片系统，包含多个生物反应器室，每个生物反应器室都有一个刚性多孔膜和连接到储液池的下微流体室，储液池可以在流动下单独培养，也可以通过下隔室流体连接在一起。组织-组织界面是通过在膜的两侧镀上不同类型的细胞而形成的，空气或液体可以包含在上部腔中。f |高通量(384孔)格式的塑料器官芯片，包括由刚性微孔膜分隔的两个平行通道，空气或流体可以引入上部通道。使用3D打印技术制造的器官芯片可以将牺牲材料以任何所需的模式沉积在ECM凝胶中，有或没有嵌入细胞。一旦凝胶化完成，材料被移除，上皮细胞或内皮细胞在通道的内表面培养。h |一种塑料多室器官芯片系统，其中位于平板上的多个微型生物反应器室可以单独培养或通过共享的底层流体通道进行流体耦合。细胞可以在流动路径的腔室底部培养(左)，也可以在放置在腔室内的Transwell插入物内的刚性多孔膜的顶部培养(右)，以便与流动路径分离。

此前，器官芯片领域的研究重点是这些微流体装置的设计和工程，以及它们复制相关组织和器官功能的实验证明。然而，现在的挑战是通过证明相对于动物模型的等效性或优越性来进入下一个阶段。如果人体器官芯片被发现是优越的，那么除了减少动物试验之外，它们还可以用于开发或选择针对个体患者、不同基因亚群甚至具有特定疾病合并症的亚群的个性化治疗方法，这可能会彻底改变临床试验设计。

在这篇综述中，我首先介绍了不同类型的体外人体模型，并简要概述了微流控器官芯片的设计范围，包括不同的多器官人体芯片格式。然后，我描述了器官芯片领域的最新进展，通过复制人类患者的反应来展示临床模仿，或者应用这项技术来推进药物开发和个性化医疗。我回顾了工业界和学术界必须克服的主要障碍，以便用人体器官芯片(以及任何其他微生理系统)取代动物试验。最后，我评估了该领域未来的机遇和挑战。

专栏1动物替代品的需求
动物实验结果无法预测人类的反应

制药和生物技术行业每年花费数十亿美元，将一种化合物从发现到获得美国食品和药物管理局(FDA)的批准。一个关键问题是，需要进行动物安全性和有效性试验才能获得监管部门的批准;然而，许多研究表明，动物研究的结果往往不能预测人类的结果。这导致一些药物和疫苗成功地通过了临床前开发流程，包括在小动物甚至非人类灵长类动物中进行的研究，但随后要么未能显示出疗效(例如结核病MV85a、HIV-1 DNA/rAd5、丙型肝炎疫苗)2，要么诱发了可能危及生命的毒性(例如Hu5c8单克隆抗体)3，从而导致人体试验停止。同样令人担忧的是，可能有一些药物对人类安全有效，但由于在动物身上的错误结果而放弃了研发，因此从未进行过临床试验。

基础研究的见解可能会被动物模型的使用所扭曲

临床前模型的弱预测能力尤其令人担忧，因为在基础研究中大量强调使用动物，特别是基因工程小鼠，而基础研究通常是首先确定潜在药物靶点的地方。事实上，当研究人员直接比较小鼠模型对各种人类疾病(如阿尔茨海默病、败血症和急性呼吸窘迫综合征)的预测价值时，结果令人沮丧。因此，尽管疾病的动物模型可能在表型上与人类相似，但潜在的分子和细胞机制往往不同，因此在这些模型中确定的潜在治疗靶点可能缺乏临床相关性。

新的挑战需要与人类相关的模型

在过去的几十年里，通过生物技术创造了生物疗法，如治疗性单克隆抗体、腺相关病毒基因载体、小干扰RNA和CRISPR RNA疗法，治疗学的发展已经发生了转变。所有这些方法的共同之处(而不是小分子药物的共同之处)是，其中一些化合物对人类目标分子序列或构象的特异性很强，因此它们在非人类模型中不应该显示出活性，或者它们可能表现出不同的活性。由于生物疗法正在迅速接近所有正在开发的药物的近一半，这提出了对与人类相关的临床前模型的另一个关键需求。

还有其他挑战需要人类模型。例如，最近医学范式的转变之一是认识到微生物组在人类健康和疾病中发挥的核心作用。然而，构成微生物组的复杂微生物群落在人类与其他物种之间，以及在不同的个体之间，甚至在不同时间点或不同地点的同一个人中都是不同的。这一挑战更加复杂，因为不可能与人类细胞直接接触的复杂微生物群落共同培养，因为这通常会导致培养污染和细胞在数小时内死亡。

随着医疗保健行业将重点转向精准医疗，对个性化临床前模型的需求将变得更加关键。例如，在一些临床试验中可以观察到，不同基因或种族人群对治疗的反应存在很大差异，这一发现提出了一个问题，即使用近亲繁殖的动物模型来模拟人类遗传疾病是否仍然有意义。含有从手术样本中分离的器官特异性细胞的临床前人类体外模型，含有类器官的成体干细胞或来自个体患者的诱导多能干细胞(iPS)，可以提供一种应对这些新挑战的方法。

新兴的人类体外模型

在过去的一个世纪里，活的哺乳动物细胞主要是在静态条件下的营养培养基中培养，在二维底物上涂有血清或细胞外基质(ECM)分子，这些分子最初被优化以促进细胞增殖。不幸的是，细胞生长的刺激常常伴随着组织特异性功能的丧失，因此，该领域的许多人对体外实验结果的生理相关性提出了质疑。出于这个原因，人们一直对设计能够在体外更好地维持组织功能的培养系统感兴趣，这导致了微生理系统领域的出现。

通过微系统工程、组织工程和干细胞生物学的综合进展，微生理系统的发展取得了进展。因此，许多微型培养系统的设计已经被开发出来，在过去无法达到的水平上重建组织和器官的功能。微生理系统开发的两种广泛方法已被追求以获得改进的生物模仿:(1)创建具有更大结构复杂性的静态3D培养系统;(2)微流体3D培养设备/装置/器件/芯片的工程设计，也包含动态流体流动，这已被称为器官芯片。

静态微生理系统

静态微生理系统模型，包括在3D ECM凝胶中生长的微工程组织和类器官，已经显示出再现组织组织发生和许多生物学功能的令人印象深刻的能力，包括药物代谢和细胞毒性反应，以及在细胞和组织水平上模拟各种疾病状态。因此，它们提供了强大的工具来剖析发育控制的分子基础以及疾病发病机制，因此，可以帮助取代动物研究的特定应用。尽管如此，它们不能复制组织-组织界面、血管灌注、间质流动、循环免疫细胞或器官特异性机械线索，这些线索对于准确模拟药物化合物的输送和吸收、分布、代谢和排泄(ADME)或其药代动力学和药效学(PK/PD)至关重要。因此，静态微生理系统并不是准确评估人体内药物配置、疗效和毒性的最佳选择。相比之下，微流控器官芯片可以提供所有这些功能。

微流控器官芯片

第一个被称为器官芯片的微流体培养装置再现了人体器官主要功能单元肺泡的器官水平(即多组织)结构和功能。它是用一种基于软光刻的制造方法制造的，这种方法是由计算机微芯片工业改编的。这种方法的灵感来自于一种更简单的装置，它包含一个小肺气道大小的中空通道，当液体塞流过通道时，它可以重现声学可探测的声音，几乎与医生通过听诊器听到的呼吸“噼啪”声相同，并用于诊断肺部有液体。

肺泡芯片是一种计算机记忆棒大小的设备，由光学透明的弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料组成，其中包含两个平行的空心通道，由多孔ECM涂层膜分隔，其中一侧内衬人肺泡上皮细胞，另一侧内衬人血管内皮，从而重建肺泡-毛细血管界面(图1a)。通过内皮通道灌注培养基来模拟血管灌注，并将空气引入上皮通道来模拟肺的气液界面，这对肺的分化和功能至关重要，而对中空侧室的循环吸入可以将循环组织变形应用于柔性组织-组织界面来模拟呼吸运动。这种双通道芯片设计已经被修改，以提供对一个通道的开放访问，并能够形成更厚的组织结构，同时仍然施加循环机械应变(例如，对于皮肤芯片)，并且它已被多个小组用于创建各种器官类型的微流体模型，其中流体流过两个通道(表1)。其他单设备和多路版本已使用各种方法制造(例如，软光刻，物理去除牺牲的圆柱心轴，注射成型)或用ECM凝胶代替多孔膜以支持组织- ECM，组织-组织界面形成或细胞向内生长，以研究动态3D形态发生过程(例如，肿瘤血管生成和淋巴管生成)(图1b-d);然而，这些不允许应用机械变形。

表1 在单个器官芯片中复制的人类疾病状态和临床反应
平台指示设备设计，包括通道或腔室配置(包括数量)、材料组成(聚二甲基硅氧烷(PDMS)或塑料)、中间膜的孔隙度(微孔或纳米孔)、通道是否被中间细胞外基质(ECM)凝胶填充，或者微流控通道是否在ECM凝胶内形成。所有细胞均为原代细胞，除非说明如下:已建立的细胞系(系);用来自人类诱导多能干细胞(iPS)的器官型细胞衬里的芯片;患者来源的原代细胞(患者);患者类器官来源细胞(org);从iPS细胞衍生的类器官中分离的细胞(iPS org);干细胞(Stem);或细胞沉积与3D打印(3D打印)。所有的细胞都是人类的，除了上面提到的微生物细胞。腺相关病毒;血脑屏障;慢性阻塞性肺疾病;浸,冠状病毒;Endo，血管内皮细胞;Epi，上皮细胞;消息灵通的,肝细胞;mAb，单克隆抗体;MCT8，单羧酸转运蛋白8;神经元，脑神经细胞。

大约在同一时间开发的另一种器官芯片设计使用了更传统的、可塑的、跨井样的多孔(12孔)格式，其中通过在微型生物反应器腔室内的刚性多孔膜的两侧培养两种不同的人类细胞类型(例如肝细胞和肝窦内皮细胞)来重建组织-组织界面(图1e)。最近还描述了一种流线型塑料384孔格式器官芯片设计，并用于创建气液界面(图1f)。3D打印技术已经被用于创建由人体器官特异性细胞排列的动态灌注管状结构，这些细胞可以精确地定位在打印的ECM凝胶中，以重建例如近端小管(图1g)或近端小管-微血管界面，后者负责肾脏中的溶质重吸收。器官芯片也已被制造出来，其中一些细胞层是3D打印的，其他细胞层是用微工程方法组装的。此外，已经创建了塑料板，在开放的腔室下面包含一个流动通道，可以单独使用或组合使用，细胞可以直接在腔室中培养，也可以在放置在腔室中的transwell插入物内的多孔膜顶部培养(图1)。

已经创建了多器官人体芯片系统，通过在多孔系统(图1e,2a,b)中包含的培养室生物反应器中添加流体耦合，或者使用机器人液体控制系统，可以更容易地与制药机器人管道集成，在多个软光刻制造的双通道芯片之间顺序传输流体，来研究多器官生理学和全身水平的药物反应。后一系统中集成了动静脉(AV)混合储存器，以提供介质的混合，从而模拟中央循环中的血液混合;这种储液器使得液体采样更类似于患者外周血的采样(而不是测量单个器官芯片流出物中的药物或代谢物水平)(图2c)。另一种方法是在同一板内流体连接多个微器官生物反应器腔室(图1e,h)，每个腔室或transwell插入物包含不同的组织类型(例如，肝脏，皮肤，骨髓，肿瘤等)，并且这些装置可以根据要耦合的器官数量进行不同的配置(图2a,b)。在这些多器官系统的某些版本中，培养基直接从一种实质细胞类型流向另一种实质细胞类型(例如，从1号室的肝细胞流向2号室的皮肤细胞)，而没有或带有中间多孔膜(图1、2a)。最近，人体芯片系统通过内皮细胞排列的通道灌注介质，内皮细胞与相邻通道或腔室中的器官型组织穿过多孔膜，以更好地复制人体内的血管灌注和药物和代谢物的跨内皮运输(图2b,c)。

图2:不同多器官人体芯片格式示意图。

a |在双腔器官芯片设计中，由不同器官型细胞类型排列的多个腔室之间的简单流体耦合和一个共同的流动腔;每个腔室内的多孔膜将覆盖的细胞类型与流体流动路径分开，或者包含细胞的transwell插入可以放置在如图1所示的开放腔室中。为了模拟静脉(IV)给药，可以将药物引入较低的血流路径。b |类似的多井结构，除了共享流室的表面内衬内皮。c |连接的双通道器官芯片的示意图，其中包含实质细胞和内皮衬里的流动通道，通过机器人液体处理器在芯片和动静脉混合储存器之间一滴一滴地传递流体。储存库集成到系统中，以模拟血液在中央循环中的混合，它也允许液体采样，更类似于患者外周血的采样。红色箭头表示定向流体流动或转移路径，圈出的“I”表示回路中使用液体处理机器人将流体移入或移出器官模型或动静脉储存库的点;蓝色小箭头表示流体在每个芯片的实质通道之间的独立转移。在这种结构中，静脉给药是通过将药物注射到动静脉储存库中来模拟的，而口服给药是通过将药物引入肠芯片的管腔通道来完成的。

随着人们对这一领域的兴趣激增，所有这些方法，甚至更简单的单通道微流体装置，只包含单一细胞类型，都被称为器官芯片。这些设备大多具有光学清晰度，可实现实时高分辨率显微成像;然而，一些包含流体耦合微型反应器或包含厚的3d打印或工程组织结构的设备则没有。重要的是，无论设备设计如何，动态流体流动和器官特异性机械线索的存在已被反复证明可以促进更高水平的组织特异性分化并增强器官水平的功能，甚至高于静态3D类器官培养中使用类器官衍生细胞来排列芯片时所显示的功能。此外，由于这些芯片是主动灌注的，免疫细胞可以像在循环血液中一样流过血管内皮层通道。驻留的免疫细胞也可以放置在芯片上的3D ECM凝胶中，以重建淋巴细胞和造血微环境，从而在体外重建专门的淋巴滤泡和骨髓的结构和功能。

与静态微生理系统相比，微流控器官芯片的一个独特优势是可以在组织-组织界面上建立氧气梯度，这样由厌氧和好氧细菌组成的复杂活微生物组可以直接在人体上皮上共培养(例如，肠道微生物组在肠上皮上)，并且可以在体外维持多天。这与静态微生理系统形成对比，包括类器官培养，其中可以建立氧梯度，但细菌培养只能维持约24小时，然后微生物过度生长和细胞死亡导致。由于器官芯片通常使用微工程方法制造，因此也可以集成各种类型的在线传感器来监测组织活力和功能，包括实时监测氧水平，组织屏障完整性的变化(例如，使用集成电极来测量经上皮和/或经内皮电阻或阻抗谱)和细胞电活动(例如，使用多电极阵列)

重要的是，在过去的12年里，器官芯片已经被用于模拟几乎所有器官系统的广泛的人类疾病和疾病，获得对各种生理和病理生理过程的分子和细胞基础的新见解，模拟各种类型的药物输送方法(例如，腺相关病毒载体和纳米载体)，并概括对治疗，辐射，在人类患者中发现的毒素和外科植入物(表1)。下面，我总结了主要人体器官芯片研究的结果，重点是那些提供临床模仿最有力证据的研究，特别是在药物开发和个性化医疗的背景下。

器官芯片的临床模拟
肺

具有两个平行微通道的人肺泡芯片(图1a)引起了极大的关注，因为它是第一个复制复杂的器官水平综合生理和病理生理反应的器官芯片，而不是简单地证明保留细胞或组织水平的分化功能。该芯片利用已建立的人肺泡上皮细胞系(NCI-H441或A549)与人脐静脉内皮细胞结合。研究表明，在双通道芯片的上皮通道中引入活细菌来模拟感染或纳米颗粒来模拟空气中烟雾的吸入，导致循环免疫细胞的募集和炎症细胞因子的分泌，就像在体内发生的那样，这些过程可以在高分辨率下实时可视化。肿瘤药物白细胞介素-2 (IL-2)以临床相关剂量经该芯片的内皮通道灌注，也导致血管渗漏，空气通道充满间质液和血栓，复制其在部分患者中引起的肺水肿毒性。此外，复制生理机械线索的能力表明，呼吸运动增强了炎症反应，增加了肺泡-毛细血管界面上纳米颗粒的吸收;这些发现在静态transwell培养中没有观察到。此外，il - 2诱导的肺水肿也需要机械刺激。重要的是，同时进行的体内研究证实，所有这些反应在体内全肺中也能看到。另一种肺泡芯片与人肺泡A549上皮细胞衬里，用于评估氧化锌纳米颗粒的细胞毒性反应，氧化锌纳米颗粒用于生物制药制剂、药物传递和生物医学成像。这项研究表明，与静态条件相比，这些纳米颗粒在肺芯片中动态流动时表现出较低的毒性。

一种内衬人肺泡上皮和肺微血管内皮细胞的肺泡芯片被用于模拟人全血通过其血管通道而形成的肺血栓。这种方法能够定量分析器官水平对炎症诱导血栓形成的影响，并重现复杂的反应，包括单个血栓内的血小板内皮动力学，这些动态几乎与体内形成的血栓内的动态相同。脂多糖内毒素在芯片上诱导血栓形成的分析也表明，脂多糖内毒素不是直接作用于内皮细胞，而是通过刺激肺泡上皮间接产生诱导内皮细胞活化的其他炎症分子，如IL-6。

健康和患病的人肺气道已经通过将从健康供体或慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者获得的原发性支气管或细支气管上皮细胞填充芯片并在气液界面下培养来建立模型。贴有COPD上皮细胞的芯片表现出选择性的细胞因子高分泌，中性粒细胞募集增加，并通过暴露于病毒和细菌感染以及吸烟来模拟临床恶化。暴露于香烟烟雾中的健康气道芯片的转录组学特征与过去临床研究中获得的结果非常相似。此外，通过将健康气道芯片暴露于IL-13中建立哮喘气道模型，IL-13可诱导杯状细胞增生、炎症细胞因子分泌和内皮细胞活化，同时减少纤毛跳动频率，所有这些都在哮喘患者中观察到。il -13刺激的气道芯片也招募了更多流动中的循环中性粒细胞，这可以通过给予抗炎药物(含溴结构域蛋白4抑制剂)来抑制，并且这种招募反应比在静态transwell微生理系统中观察到的要大。

最近，肺气道芯片已被用于通过纳入从囊性纤维化患者分离的原代上皮来模拟囊性纤维化气道。与健康芯片相比，这些芯片准确地复制了人类囊性纤维化气道的许多特征，包括纤毛密度、粘液积聚、纤毛跳动频率和IL-8分泌的增加，导致循环免疫细胞对内皮细胞的更大粘附并迁移到气道腔室。囊性纤维化芯片还为铜绿假单胞菌的生长提供了更有利的环境，并增强了炎症反应，这两者都是囊性纤维化患者发病率的主要原因。

原代细胞衬里的肺泡和气道芯片支持人类非小细胞肺腺癌细胞生长的能力也被研究了。癌细胞在肺泡芯片中生长得更快，这忠实地再现了这种类型癌症患者在该部位的优先生长。有趣的是，控制机械信号的能力表明，呼吸运动抑制了癌症在肺部的生长和侵袭，并改变了一线抗癌药物(罗西莱替尼)的疗效。该装置的一个更复杂的版本，包含三个平行通道，ECM凝胶内衬内皮细胞和成纤维细胞，支持3D分支微血管网络的形成，可以分析人类肺腺癌细胞对临床相关浓度化疗药物紫杉醇的反应，并证明肿瘤和内皮细胞的毒性。

使用含有原代肺细胞和外周血单个核细胞的人免疫活性肺泡芯片来评估T细胞双特异性抗体癌症治疗的安全性。这些芯片有效地复制了目前正在临床开发的靶向叶酸受体1的T细胞双特异性抗体的非人灵长类动物(NHP)毒性。重要的是，当发现在肺芯片中表现出较低毒性的低亲和力T细胞双特异性抗体在NHPs中进行测试时，没有动物出现原始高亲和力抗体所观察到的肺部炎症，从而证实了这种人体器官芯片所预测的更安全的情况。目前，人体肺部芯片最具临床意义的用途之一是呼吸道病毒感染的研究。例如，严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)感染肺泡芯片(由已建立的肺泡上皮细胞(HPAEpiC)细胞系与肺内皮细胞(HULEC‐5a)细胞系连接)，发现上皮优先感染，并刺激这两种组织中不同的先天免疫反应，以及循环免疫细胞的募集，导致内皮脱离和进一步增加炎症细胞因子释放。用瑞德西韦治疗可以抑制病毒复制，减轻芯片上的屏障损害。含有原代支气管上皮和肺内皮的人肺气道芯片也重现了病毒感染、细胞因子的产生和循环免疫细胞的募集，以及在感染各种甲型流感病毒株的人患者中观察到的病毒株依赖性毒力。使用该模型发现，抗凝药物纳莫司他与一线抗病毒药物奥司他韦的联合使用使奥司他韦的治疗时间窗口延长了一倍。此外，当这些芯片感染了假型SARS-CoV-2病毒并灌注临床相关剂量的抗疟药物氯喹或羟氯喹时，发现这些药物没有活性，从而预测了临床研究中的阴性结果。相比之下，相关药物阿莫地喹在仓鼠模型中被证明能积极抑制SARS-CoV-2假病毒进入芯片，以及被本地传染性SARS-CoV-2感染。重要的是，这些结果有助于改变这种药物的用途，并使其在非洲进入COVID-19的临床试验，这种药物在非洲被广泛用于抗疟疾预防。

最近另一个药物再利用的例子来自原发性肺泡芯片的机械控制能力的使用，这表明与循环呼吸运动相关的物理力会影响肺部对病毒感染的先天免疫反应。这项工作导致发现晚期糖基化终产物受体(RAGE)，一种在体内肺泡中高度表达的炎症介质，在这种反应中起核心作用。此外，当测试RAGE抑制剂药物(azeliragon)时，在该模型中，它能有效抑制炎症细胞因子的产生并与抗病毒药物molnupiravir协同作用。这些结果包括在最近向FDA提交的ind前(新药研究)会议申请中，该申请要求启动临床试验，以测试azelagon是否可以抑制COVID-19患者的细胞因子风暴。肺泡和气道芯片的使用还导致发现了一类新的广谱RNA疗法，可诱导有效的I型干扰素反应，并抑制SARS-CoV2、SARS-CoV、MERS-CoV、HCoV-NL63(一种普通感冒病毒)和多种甲型流感病毒株的感染。

在流感患者中，通过突变和基因重组的病毒进化也在体外被重建，方法是在持续存在抗病毒药物金刚烷胺或奥司他韦(也称为达菲)的情况下，在感染H1N1流感的多个人肺气道芯片之间依次传递受感染的粘液滴。这种选择性压力导致临床普遍耐药突变以及以前未观察到的菌株的自发出现。有趣的是，对这两种药物都有抗药性的菌株也出现了;然而，研究表明，它们仍然对针对宿主丝氨酸蛋白酶的抗凝血药那莫他敏感。

肝

多种肝脏芯片设计已被开发出来，并用于模拟药物代谢、药物相互作用、肝毒性、炎症和感染(表1)。微流控肝脏芯片采用多孔生物反应器设计(图1e)，由原代人肝细胞和Küpffer 细胞排列，可复制糖皮质激素氢化可的松分解为I期和II期代谢物，芯片上测量的内在清除率与人体数据相关。类似的肝脏芯片系统显示，IL-6持续刺激炎症可抑制细胞色素P450 3A4异构体(CYP3A4)活性，增加c反应蛋白分泌，减少可溶性IL-6受体的脱落。在该模型中，用于治疗类风湿性关节炎的治疗性抗il -6受体单克隆抗体(tocilizumab)可调节CYP3A4酶活性，改变小分子CYP3A4底物辛伐他汀羟基酸的代谢，从而复制在患者中观察到的药物-药物相互作用，这在静态2D培养模型中是不可能的。

另一项有趣的研究探索了人群变异对肝脏药物代谢的影响，使用多个肝脏芯片，每个芯片由来自不同供体的肝细胞排列。对六种药物代谢耗竭谱的分析证实，在基因表达水平、药物代谢和其他肝细胞功能方面，供体之间存在着实质性的差异。重要的是，芯片上预测的清除率值与体内观察值具有良好的相关性，并且为利多卡因开发的基于生理学的药代动力学模型成功地预测了观察到的临床浓度-时间曲线和相关的人群变异性。

肝芯片最有价值的用途之一是模拟人类特异性肝毒性(表1)，这在临床前动物模型(如啮齿动物或狗)中经常被遗漏。早期肝脏芯片仅由原代人肝细胞衬里，但通过微工程多孔屏障(模拟内皮通透性屏障)与血流分离，显示出与肝窦相似的质量运输特性，并再现了抗炎药双氯芬酸代谢特异性肝毒性。各种跨物种肝脏毒性(如肝细胞损伤、脂肪变性、胆汁淤结和纤维化)也可以通过从人、狗或大鼠分离的多种原代肝细胞类型(如肝细胞、肝窦内皮、Küpffer细胞和肝星状细胞)的肝芯片灌注具有已知物种特异性毒性的药物，成功地在体外复制。高分辨率可视化这些反应的能力使我们深入了解了一种新的毒性机制，其中发现一种药物意外地靶向内皮细胞，而不是实质细胞。

与肺的情况一样，肝脏芯片已被用于体外模拟病毒感染。例如，用乙型肝炎病毒(HBV)感染人肝细胞的肝芯片可复制HBV生命周期的所有步骤，包括患者源性HBV的复制和HBV共价闭合环状DNA67的维持。此外，芯片上检测到的先天免疫和细胞因子反应与在hbv感染患者中观察到的反应相似。

心脏

通过在单通道微流体装置中覆盖多电极阵列的柔性ECM凝胶上培养人类ips细胞衍生的心肌细胞，开发了一种心脏芯片，该芯片支持层状心脏组织的形成，并能够实时记录组织水平的电生理反应。该芯片模拟了心脏毒性前药特非那定与其无毒代谢物非非那定在患者身上的安全性差异。另一种结合了微制造和3D打印技术的心脏芯片包含了人类ips细胞衍生的心肌细胞和内皮细胞的界面，重现了临床上观察到的抗癌药物阿霉素对心肌的毒性作用。

肠

许多小肠和大肠器官芯片模型已被建立，这些模型由肠上皮细胞衬里，有或没有底层内皮，用于模拟各种疾病，以及研究药物代谢和毒性(表1)。研究发现，动态流体流动的存在是促进小肠芯片中绒毛形成的必要和充分条件，以及大量杯状细胞的产生和结肠芯片中厚黏液双层的积累。使用双通道芯片设计，与活肠中的芯片非常相似(图1a);然而，需要额外应用蠕动式机械运动来实现最佳的区分。此外，当与十二指肠或结肠类器官衍生的上皮细胞相连时，基于转录组学和组织学特征，这些机械活性微流控芯片比在静态微生理系统(3D ECM凝胶或transwell培养)中培养的类器官更接近人类小肠和大肠。在一项关于肠道冠状病毒感染(NL63)的研究中，发现类器官来源的肠上皮细胞在双通道微流体肠道芯片中存在蠕动样机械变形的流动下培养时，与在3D凝胶或transwell插入物中静态培养的类器官相比，其ACE2受体水平也显著增加。一种由Caco-2肠上皮细胞与内皮细胞界面内衬的双通道人肠芯片用于研究SARS-CoV-2感染，并重建与COVID-19患者胃肠道症状一致的形态学、结构和炎症变化。

在双通道微流控芯片中模拟人类肠道-微生物界面，该微流控芯片由已建立的肠上皮细胞系(Caco-2或CRL-1459细胞)衬里，重建了支持单一共生专性厌氧菌(鼠李糖乳杆菌GG)生长的氧梯度;这种共培养以类似于先前在体内观察到的方式改变了宿主的转录、代谢和免疫反应。然而，在这种芯片中，微生物必须通过纳米孔膜与宿主上皮分离，因此只能研究运输的可溶性介质的影响。

最近，一种含有200多种与人类粪便微生物群相似复杂性的活细菌的复杂肠道微生物群与人肠上皮及其自然分泌的黏液层直接接触，在由Caco-2细胞或与原代肠道微血管内皮界面的人类器官衍生上皮内衬的双通道肠道芯片中共培养5天。这是通过在模拟体内存在的上皮-内皮界面上建立缺氧梯度来实现的，这是通过集成的芯片上的氧传感器证实的，并且肠道屏障功能通过活细菌的存在得到维持或增强。相反，在炎症性肠病患者中，临床观察到，由Caco-2肠细胞衬里、与初级微血管内皮界面的小肠芯片暴露于病原体可诱导炎症，导致细胞死亡并破坏肠通透性屏障。用类器官上皮衬里的人结肠芯片结合代谢组学，也被用于鉴定介导物种特异性(人与小鼠)对肠出血性大肠杆菌感染敏感性差异的特定微生物代谢物。有趣的是，停止周期性机械变形会导致小肠芯片中的细菌过度生长和上皮损伤，从而模仿临床上被称为肠梗阻的疾病，这是由肠道麻痹(例如，由于长时间麻醉)引起的。相反，在结肠芯片中，动态流体流动和活跃的蠕动样循环变形会增强志贺氏菌感染和侵袭。值得注意的是，这些机械生物学行为都不能在静态微生理系统中检测到，并且细菌不能在这些静态模型中共培养超过24小时而不诱导细胞死亡。

急性辐射损伤的肠道芯片模型也复制了在人类中观察到的相同的辐射剂量敏感性，这与在动物模型中观察到的不同。辐射暴露主要通过内皮诱导活性氧的产生，导致上皮细胞毒性、细胞凋亡和DNA断裂，以及紧密连接的破坏、绒毛钝化和肠屏障的破坏;在该模型中，用潜在的预防性辐射对抗药物(二甲基氯酰甘氨酸)进行预处理抑制了这些反应。

环境性肠功能障碍(EED)是资源匮乏国家儿童特有的一种肠道炎症，最近在人类肠道芯片中建立了模型。这种疾病的主要特征，包括绒毛变钝，肠屏障功能受损，营养吸收减少，以及脂肪酸摄取和氨基酸运输的损害，在从EED患者来源的类器官中分离的肠上皮细胞内衬的双通道芯片中重建，当这些细胞在营养缺乏的培养基中培养时。这些培养条件导致的转录变化类似于在多个资源匮乏国家的临床EED患者样本中观察到的变化。由类器官来源细胞衬里并灌注外周血单个核细胞的人肠芯片也被用于复制和预测一种T细胞双特异性抗体的临床毒性，这种抗体目前正在临床开发中，其靶向人类癌胚抗原的特异性很强，因此无法在动物模型中评估其安全性和有效性。

肾脏

由人肾小管细胞或肾小球细胞衬里的肾芯片已被用于药物和分子转运、重吸收和毒性以及疾病建模的研究(表1)。例如，由原发性近端小管上皮衬里的双通道肾芯片表达高p糖蛋白外排转运蛋白活性，复制了转运蛋白特异性顺铂毒性，这种毒性在患者中观察到，但在静态2D培养或动物模型中没有观察到。白蛋白重吸收和环孢素毒性也在3d打印的肾芯片中重现，该芯片含有人近端小管上皮沉积在由厚ECM凝胶包围的微小圆柱形结构中。通过在ECM凝胶中打印由近端小管上皮和肾内皮排列的紧密相对的肾小管和血管，进一步扩展了这种方法，其通过小管-血管交换溶质表现出积极的重吸收，与在体内观察到的相似。该模型复制了高血糖诱导的内皮细胞功能障碍，并通过葡萄糖转运抑制剂药物逆转了这种功能障碍。此外，肾远端小管芯片被用于探索伪狂犬病毒引起肾功能障碍的发病机制。病毒感染导致钠重吸收改变、重吸收屏障破坏和微绒毛改变，这可能是病毒感染患者血清电解质异常的原因。

重要的是，肾近端小管芯片还复制了两种罕见的x连锁单遗传疾病(Lowe综合征和Dent II病)的表型特征，这两种疾病的特征是由OCRL基因突变引起的肾脏重吸收缺陷。降低细胞中OCRL的表达表明，缺乏OCRL的近端小管细胞上调胶原沉积，这可能导致这些疾病中的间质纤维化和疾病进展。

使用含有永生化肾足细胞和肾小球内皮细胞紧密相对层的人肾小球芯片显示，在高血压肾病患者中观察到，肾小球机械力在导致肾小球渗漏增加的细胞损伤中起着至关重要的作用。另一种由人类ips细胞衍生足细胞与肾小球内皮相连接的肾小球芯片重建了体内尿清除率水平，并模拟了抗癌药物阿霉素对肾足细胞的毒性作用。最近，该芯片的个性化版本使用了来自单个患者的人类ips细胞衍生的肾小球内皮细胞和足细胞。此外，自体免疫对肾脏的影响已被研究使用一个人肾小球芯片，概括肾小球的允许选择性。当暴露于含有抗足细胞自身抗体的患者血清中时，芯片会产生与患者蛋白尿成比例的蛋白尿，而使用健康对照者或原发性足细胞缺陷患者的血清时则不会出现这种现象。

大脑

帕金森病是一种大脑黑质区域的疾病，其特征是α-突触核蛋白聚集体的异常积累，多巴胺能神经元的丧失和胶质细胞的增殖。该区域的双通道人脑芯片包含iPS细胞衍生的多巴胺能神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和周细胞与iPS细胞衍生的微血管脑内皮界面。转录组学分析显示，芯片上的基因表达水平比传统培养系统更接近于成熟的成年黑质。重要的是，路易小体的关键成分α-突触核蛋白原纤维的引入导致了它们的积累和磷酸化，这在体内也可以观察到。这种表型伴随着活性氧产生的增加、线粒体功能障碍、细胞死亡和神经炎症，这些都是帕金森病的关键特征。

许多神经血管单元的人类血脑屏障(BBB)芯片模型已经被开发出来(表1)，因为血脑屏障是许多神经活性治疗药物传递的关键屏障，在许多神经系统疾病中起着核心作用。这种双通道芯片包含一个脑内皮，与脑周细胞和星形胶质细胞或星形胶质细胞和神经元相连接;其中一些使用了一种或多种来自iPS细胞的细胞类型，而另一些使用原代细胞。血脑屏障芯片已被证明可以重建人体内样的渗透性屏障(例如，当使用经上皮电阻进行分析时)，这对于模拟神经血管单位的健康和病变功能至关重要。它们也被用于模拟神经炎症和当血管通道灌注人全血时神经元免受损伤的保护，以及药物，激素，单克隆抗体，纳米载体和肿瘤细胞外囊泡穿越BBB。此外，当使用亨廷顿病患者的iPS细胞制备脑屏障芯片时，可以检测到血屏障通透性的个体差异，而在使用健康供体细胞制成的芯片中则没有观察到这种差异。这项研究使用了类似的方法来模拟单羧酸转运蛋白8 (MCT8)缺乏症，这是一种严重的精神运动迟缓形式，与甲状腺激素在脑内皮中的转运减少有关，这种临床表型可以在芯片上复制。

在最近的一项研究中，人类神经血管单元在微流控芯片中建模，微流控芯片包含一个灌注通道，内皮细胞内衬，周细胞相邻的3D ECM凝胶含有星形细胞和由人类神经干细胞原位分化而来的神经元。该芯片被用于模拟由新型隐球菌真菌引起的脑感染，结果显示真菌细胞簇在不改变紧密连接的情况下穿透血脑屏障，这提示了胞吞介导的机制，并为开发新的治疗方法提供了一个试验平台。

眼睛

一种眼芯片重建了视网膜-脉络膜外屏障，其中包含可灌注的3D血管网络附近的人类视网膜色素上皮，通过显示从原有脉络膜血管延伸的血管新生芽穿透视网膜色素上皮单层，能够重建与湿性黄斑变性相关的脉络膜新生血管。这种病理性血管生成被单克隆治疗抗体贝伐单抗抑制，该抗体在临床上用于这种情况。

此外，研究人员还开发了一种视网膜芯片，其中包含七种以上不同的视网膜细胞类型，所有这些细胞都来自人类iPS细胞，这些细胞提供血管灌注和成熟的感光细胞片段与视网膜色素上皮的相互作用。除了模仿外节样结构的形成和建立眼的体内样生理过程(例如，外节吞噬和钙动力学)外，该器官芯片还再现了氯喹和庆大霉素的临床视网膜病变毒性。

骨

一种包含人间充质间质细胞、成骨细胞和骨髓单核细胞的骨芯片嵌入人去细胞化的骨中，用于模拟关节置换术植入物中溶解金属(钴和铬)的释放，这可能导致植入物周围的骨丢失。事实上，在这个3D模型中，这两种金属都被发现以一种在患者骨样本中也看到的方式整合到骨基质中。

骨髓芯片是通过将来自骨髓的人类供体CD34+造血细胞或血液和骨髓来源的基质细胞结合在3D ECM凝胶中，从邻近的内皮细胞通道中分离出来而制成的。该芯片在培养中重建了多个血细胞谱系在1个月内的分化和成熟，并复制了与临床相关的癌症治疗性5-氟尿嘧啶和γ辐射暴露有关的髓系毒性。更令人印象深刻的是，当先前在患者身上测量的药物暴露(药代动力学)谱在芯片上重现时，它能够复制在人类临床试验中观察到的癌症药物的方案特异性毒性。同样，当同样的造血细胞被放置在静态培养物中时，这些反应没有被观察到。此外，本研究还利用从SDS患者身上获得的CD34+细胞，建立了罕见遗传性疾病Shwachman-Diamond综合征(SDS)的个性化骨髓芯片模型。这些芯片复制了在患者中发现的关键造血缺陷，并导致在这些患者的一个亚群中发现了以前未知的中性粒细胞成熟异常。

生殖器官

在ECM凝胶中培养的靠近灌注内皮血管的乳腺导管上皮衬里的乳腺芯片在芯片上发生分支形态发生。令人印象深刻的是，该芯片能够通过扩增HER2(也称为ERBB2)受体表达或使用逆转录病毒载体在非致瘤性乳腺上皮中表达组成型活性PI3Kα，再现与浸润性癌症进展相关的导管变化。

用滋养细胞和内皮细胞连接的胎盘芯片来筛选药物穿过胎盘的能力。该模型重建了人类胎盘屏障的外排转运体介导的主动转运功能，该功能用于限制胎儿暴露于母体给药，使用妊娠糖尿病药物格列本脲。

血管

大血管和小血管的器官芯片模型已被用于研究各种血管疾病，包括炎症、血栓形成和动脉粥样硬化，并用于模拟血管在许多疾病中的作用(表1)。一种由血管内皮衬里并灌注人全血的血管芯片再现了一种治疗性单克隆抗体药物(Hu5c8)的临床血栓毒性，该药物此前因在临床前动物试验中未检测到的意外危及生命的并发症而退出了临床试验。该模型还用于验证相关抗体的改进版本的较低血栓形成风险，该抗体包含不结合Fcγ riia受体的Fc结构域。

哈钦森-吉尔福德早衰综合征是一种以心血管疾病加速死亡为特征的早衰疾病，特别是涉及机械活性血管。当使用早衰患者的iPS细胞衍生的血管平滑肌细胞开发早衰血管芯片时，与使用健康供体细胞的芯片相比，它在机械应变下表现出加剧的炎症和DNA损伤。有趣的是，这种身体压力引起的损伤可以通过服用两种药物来逆转，洛伐他汀和洛那法尼，这两种药物在临床上经常用于这种疾病。

主动脉芯片用于研究更常见的先天性疾病主动脉瓣疾病的发展。从患者身上分离的主动脉血管平滑肌细胞衬里的芯片显示NOTCH1表达抑制和线粒体动力学受损，健康平滑肌细胞中NOTCH1基因敲低抑制线粒体融合和收缩性降低。利用该模型揭示线粒体融合激活剂药物来氟米特和特立氟米特可以部分挽救这些病变细胞的线粒体动力学紊乱。

利用人体器官芯片技术进行的一些血管应用主要集中在血管生成、炎症和新生血管在多种疾病中的作用，以及纳米材料的跨内皮运输和递送(表1)。例如，通过将3D ECM凝胶结合到一个微流控通道中，可以刺激附近的内皮细胞以定向方式延长毛细血管芽;如果内皮细胞在ECM分隔的两个平行通道中培养，入侵芽将相遇，分化成空心管，形成充分灌注的三维毛细血管网络。最近，这种方法被用于证实由来自多个供体的原发人肾细胞癌细胞诱导的内皮发芽，这些细胞显示出血管生成因子产生的患者特异性模式。类似的血管化肿瘤芯片显示，在芯片上观察到的基因表达、肿瘤异质性和治疗反应比目前标准的药物筛选方式(包括2D培养和3D球体)更接近结肠直肠癌临床病理模型。一种模拟血管-组织-淋巴界面的三通道微流控装置也被开发出来，用于研究与癌症转移相关的淋巴管生成。

淋巴器官

包括免疫细胞的募集和激活、促炎细胞因子的释放、组织屏障破坏和细胞损伤在内的炎症反应已经在许多器官芯片中重现(表1)。然而，使用器官芯片技术也可以模拟更复杂的人体免疫反应。最近，一种淋巴细胞滤泡芯片被开发出来，它在3D ECM凝胶中培养来自外周血的原代人B淋巴细胞和T淋巴细胞，同时在平行通道中流动介质。这种方式的融合阻止了在常规培养中观察到的淋巴细胞自身活化，并促进生发中心样结构的形成，其中包含B细胞，B细胞在抗原激活后经历抗体类别转换和浆细胞分化。当将自体单核细胞来源的树突状细胞整合到凝胶中，并用商业流感疫苗接种芯片时，在临床相关的时间尺度上检测到卵泡大小和数量的增加，浆细胞的形成，抗血凝素IgG抗体的产生和细胞因子的分泌与接种疫苗的人相似。

器官芯片也被用于评估免疫疗法，包括与患者来源的细胞一起使用的个性化疗法。例如，细胞周期蛋白依赖性激酶4和6 (CDK4/6)的小分子抑制剂被鉴定为潜在的新型免疫检查点抑制剂，使用一种芯片，在微流控通道包围的3D ECM凝胶中培养含有自体浸润免疫细胞的患者来源的肿瘤细胞球体。这些CDK4/6抑制剂增强了对PD-1阻断的反应，从而为将这些药物与其他免疫疗法联合使用以提高治疗效果提供了理论依据。

肿瘤微环境对过继性T细胞免疫治疗的抗癌效果施加了显著的限制，这在传统培养中不容易建模。为了解决这一挑战，将人类肝癌细胞培养在3D ECM凝胶内的器官芯片中，并将经过工程设计以表达肿瘤特异性T细胞受体(TCRs)的人类T细胞通过相邻的通道流动。分析了TCR T细胞迁移和杀死肿瘤目标的能力，以及不同水平的氧气和炎症细胞因子的影响。这种方法可以在未来用于设计和评估个性化的细胞免疫疗法，例如，使用3d打印的器官芯片，其中包含患者来源的肿瘤活检样本，可以实时监测驻留淋巴细胞群的反应。

多器官生理偶联及药物PK/PD模型

大多数制药科学家认为药物开发中的挑战之一可能无法在短期内解决，即需要进行动物试验来评估药物在全身的处置(例如ADME)，并量化PK/PD参数，以帮助指导临床试验设计。尽管在未来的几年里，这些目的可能仍然需要动物模型，但最近的研究表明，许多复杂的全身生理反应可以在体外用流体耦合的多器官人体芯片系统来模拟。迄今为止开发的多器官芯片模型，可能有2到10个不同的器官芯片，除了提供新的体外工具来评估药物ADME和PK/PD外，还提供了复杂生理和病理生理反应的令人印象深刻的模拟(表2)。

表2 具有人体系统反应的多器官人体芯片系统的潜在应用
iPS指的是由人类诱导多能干细胞(iPS)衍生的器官型细胞内衬的芯片。血脑屏障;IVIVT，体外到体内翻译;mAb，单克隆抗体;PD,药效学;PK,药物动力学。

在复杂生理模拟的一个令人印象深刻的例子中，通过将子宫、子宫颈、输卵管和肝脏等人体器官芯片模型与小鼠卵巢芯片流体连接并循环介质，在体外重建了动态器官间激素耦合和28天的月经周期。耦合器官芯片系统也被用于模拟胰岛素分泌的多器官调节;肿瘤在不同器官间的转移性扩散;器官特异性损伤的靶向免疫应答;环境化学物质的毒性作用需要肝脏生物激活，包括连接肝脏和睾丸芯片中的生殖细胞毒素的激活。

多器官芯片系统最常见的应用是通过代谢或排泄来复制药物的吸收(例如口服或透皮)、分布和清除，这些自然发生在我们身体的器官中，但在单器官芯片或其他体外模型中是不存在的(表1)。此外，靶标毒性和脱靶毒性也可以通过器官间相互作用(通过肝脏激活或代谢)进行修饰，研究结果与已发表的人类数据基本一致。此外，器官芯片也被用于同时评估药物的有效性和安全性。例如，通过测量肺癌芯片中抗egfr治疗性单克隆抗体的效果，同时分析流体耦合皮肤芯片的毒性，可以复制在患者中观察到的角化细胞生长抑制和CXCL8和CXCL10表达改变。作为另一个例子，当肝芯片与心脏芯片连接时，使用来自同一人类iPS细胞系的细胞进行排列，可重现致心律失常胃促动力学药物西沙匹利和杀菌剂酮康唑之间临床相关的药物-药物相互作用，这显示了使用器官芯片以个性化方式优化治疗选择的潜力。

微流体系统由多个培养室组成，其中培养基通过单一通道直接从一个实质细胞室流动到另一个实质细胞室，多年来一直用于体外进行PK/PD建模，尽管早期研究通常使用已建立的细胞系。后来的版本用多孔膜将流动室与培养室隔开，或者使用transwell插入物作为培养室(图2a)。这种类型的人体芯片系统由连接的肝、肾、肠、骨骼肌和血脑屏障芯片组成，产生了与临床数据一致的药物代谢和屏障外显率预测。但直到最近，这种类型的建模才在由原代人细胞衬里的器官芯片中进行，这些细胞通过与实质性通道或腔室分离的内皮衬里血管通道流动或转移普通血液替代介质进行流体连接，就像我们的身体一样(图2b,c)。在许多研究中，这种与生理更相关的方法已与计算建模相结合，用于生成药物PK/PD参数的预测(图3)和毒性(表2)。例如，使用由连接的双通道人类肝脏组成的多器官芯片首过模型，已经可以定量预测人类临床药代动力学参数。肾脏和肠道芯片以及AV库结合基于计算生理学的药代动力学模型35(图3b)。体外到体内药代动力学参数的成功转化与临床观察的结果非常相似(图3c)，这是使用两种药物(顺铂和尼古丁)通过两种不同的途径(静脉注射和口服)进行的。此外，当肠道芯片被骨髓芯片取代时，顺铂的药效学预测也与先前报道的患者数据相符。由于这些片上体系统是模块化的，芯片可以串联或并联，流量可以是单向的或循环的。

图3:模拟药物在人体芯片中的药代动力学和药效学。

由共同流动通道连接的多器官芯片系统可以模拟我们体内器官的生理连接，因此，作为全身生理学的结果，在人体中发生的药物吸收、分布、代谢和排泄(ADME)可以使用这种方法进行建模。通过将药物分别引入肺芯片的空气空间、肠芯片的管腔或血管通道，可以模拟我们体内发生的药物雾化、口服和静脉注射(IV);然而，静脉给药可能会由于注射部位下游的器官芯片异常地经历比其他芯片更高的剂量而变得复杂，因为缺乏通常发生在人体脉管系统中的混合。连接的肝脏和肾脏芯片可分别用于量化药物代谢和清除率，并且通过连接其他相关芯片(例如，用于骨髓毒素的骨髓芯片)，也可以测量功效和效力。b |显示双通道肠间流体联系的示意图;肝脏和肾脏芯片对应于流经各自体内器官供血血管的流动，由机器人流体转移模拟(长箭头指示流动方向)，以及与器官芯片的血管通道流体连接的动静脉(AV)储库，以模拟血液混合，以便在所有芯片上进行更多生理相关的药物暴露，并使实验采样类似于外周血采样。普通血液替代物流经血管通道和AV库，而器官特异性介质流经每个芯片的实质通道(小箭头)。c |由于可以随时间测量血管和实质通道流出物中的药物水平，因此可以使用基于计算生理学的PK模型和标度方法在体外确定药代动力学和药效学(PK/PD)参数，如曲线下面积(AUC)、血液中最大药物浓度(Cmax)和达到半最大水平的时间(t1/2)。d |该方法已被用于定量预测人体体内观察到的PK/PD参数，例如，如顺铂35所示，使用b部分中所示的片上体连接配置。正方形和三角形表示从顺铂输注1小时或3小时的患者中获得的PK数据，点线表示使用人体片上模型获得的数据生成的计算PK预测。垂直的误差条表示标准差。

用什么来代替动物模型呢?

要最终接受人体器官芯片来代替临床前动物模型，将其整合到药物开发管道中，并将使用这些模型生成的数据包含在FDA监管提交的文件中，需要什么问题是一个复杂的问题。有一点是明确的，这一过程可能会逐渐发生，每次只需要更换一种特定的动物模型。为了实现这一目标，制药公司和监管机构将要求严格证明与动物模型相当或更好的性能。这一目标将需要定义特定的验证方法和性能标准，以及成功完成统计上良好的验证研究，证明特定的器官芯片模型可以以可重复和统计上稳健的方式产生与人类相关的结果，无论工作在哪里进行。由于在大多数学术研究中只使用少量的器官芯片，而且不同的研究小组使用不同的设备配置和方法，因此要真正验证它们作为动物替代品的使用，将需要大规模的评估，涉及数百个使用相同设计的设备，使用相同的协议。因此，这个问题不会通过学术研究人员发表更多的研究成果，甚至在社区层面建立设计标准来解决。相反，这可能将在商业战场上决定，鉴于有许多公司制造器官芯片以及运行它们的自动化控制系统，这现在是可能的。

一个关键的挑战是确定必须满足的关键设计标准和性能参数，以使器官芯片模型具有被制药和生物技术公司以及监管机构采用所需的功能水平。这将要求商业芯片供应商在电池采购方面证明可靠性、稳健性和一致性，并在这些模型系统的执行和分析的每一步精确地定义性能和质量控制期望。重要的是，所有相关方都认识到，没有办法以一种通用的方式替代动物模型，相反，每个器官芯片必须针对特定的商业“使用环境”进行验证(例如，药物安全性、药物功效、毒理学、ADME表征、PK/PD建模)。然而，每个器官芯片还必须针对特定的生理使用环境进行验证。例如，含有上皮和内皮的肺泡芯片可能有助于研究与肺水肿有关的药理学研究中药物的疗效，但也需要含有成纤维细胞的不同芯片来模拟肺纤维化。

通过确定能够克服制药行业工作流程中现有障碍的应用程序，例如，通过验证人体器官芯片可以成功地取代已知不理想并导致临床失败的现有动物模型(例如，啮齿动物和狗的肝脏毒性测定)，可能以分阶段或逐步的方式进行商业采用。但是，随着时间的推移，它们的预测能力越来越得到验证，它们应该被整合到药物开发管道的其他早期阶段，包括用于药物发现和先导靶点验证，以及先导化合物的优化和优先排序，或者在出现安全性问题时用于识别替代先导(图4)。例如，当在I期试验中观察到特定患者亚群(例如，女性与男性，或基因相似的亚群)的毒性时，由患者来源的细胞衬里的器官芯片将特别有用;如果这种毒性可以在芯片上复制，这将提供一个有价值的工具，用于识别管道中不表现出这种毒性的其他相关活性化合物。人们还日益认识到，有必要创建由其他物种(例如，啮齿动物、狗或NHPs)的细胞制成的器官芯片模型，以产生基准比较数据，帮助制药公司和疫苗开发商相对于过去体内研究获得的结果验证这些模型中获得的结果，从而更容易将器官芯片整合到其开发过程中。虽然这些努力的最初目标可能是证明与特定动物模型的等效或优势，但成功的最终基准应该是复制现有的体内人类临床数据。

图4:人体器官芯片在个体化医疗中的应用。

由患者来源的细胞排列的器官芯片可用于模拟罕见的遗传疾病，确定难以临床研究的毒性(例如，致命辐射暴露或孕妇暴露于潜在致畸物的影响)，或比较不同亚群(如女性与男性或年轻人与老年人)的药物反应。当多个芯片被制造出来，每个芯片都有来自不同供体的细胞，代表不同的亚群或不同的合并症患者，它们也可以用来设计和优化特定亚群的药物，这些亚群的成员可以作为未来有针对性的临床试验的参与者，以增加成功的可能性。个性化的单器官芯片和多器官芯片系统由来自同一患者的一种或多种器官型细胞类型(例如，使用诱导多能干细胞技术)，来自遗传相关个体群体，或来自具有相似合并症的患者，也可用于个性化药物选择，以优化药物疗效，最小化毒性，确定最佳给药途径。结合药代动力学和药效学(PK/PD)预测，设计用于靶向I期临床试验的最佳给药方案。

在更实际的层面上，器官芯片通常比传统培养更昂贵，因此要被接受，它们提供的性能改进必须同样巨大。然而，考虑到它们可能提供的人类临床模仿水平，就成本和使用的复杂性而言，动物模型可能是更合适的比较。在这种情况下，值得注意的是，一项对制药公司的调查估计，微生理系统可以为其行业节省高达25%的研发成本。最近的另一项分析表明，即使用器官芯片代替一种动物模型用于单一的使用环境，例如药物引起的肝毒性，由于生产率的提高，该行业每年也可以产生30亿美元的收入。重要的是，由于器官芯片行业尚处于起步阶段，由于规模经济，芯片和运行芯片所需仪器的成本也应随着时间的推移逐步降低。

为了应对这些挑战并利用这些好处，由制药和生物技术行业专家组成的国际组织，如国际药物开发创新和质量联盟(IQ)联盟的微生理系统分支机构，提出了一些方法来验证器官芯片和其他微生理系统，以确保它们被行业接受，以取代动物模型。由监管机构。这些要求包括明显的要求，如遵循良好实验室规范(GLP)法规和制定策略，以验证和记录细胞源、设备、仪器、实验方案和分析程序的功能、可靠性和稳健性。但是他们也为特定的应用建立了特定的性能指标，比如预测药物性肝损伤(DILI)，其中包括对已知在动物和人类中有安全记录的特定药物化合物的测试。这些类型的研究很重要，因为它们可以用于定量评估器官芯片的预测性能，并将这些预测与人类临床数据和过去的动物结果进行比较。FDA的新药创新科学和技术方法(ISTAND)试点项目已经为药物开发工具(包括器官芯片)建立了类似的资格认证项目，现在也提供了一个明确的途径来加速它们的监管使用。该领域的一个积极迹象是，最近的一份报告描述了一项分析，该分析涉及近800个人类肝脏芯片，这些芯片由来自两个不同供体的细胞制成，成功地满足了IQ联盟的DILI资格指南，在超过27种已知肝毒性和无毒药物的盲法组中，灵敏度高达87%，特异性为100%，显示出与动物模型相比，性能有了重大改善。

未来的机遇与挑战

上述进展表明，人体器官芯片可用于解决人类生物学和医学中的许多类型的问题，这些问题无法使用先前的培养系统甚至许多静态微生理系统来解决。例如，尽管静态3D类器官培养具有许多优势(例如，它们提供患者特异性见解，表现出高度分化的行为，并且易于进行高通量研究)，但它们无法提供器官芯片提供的许多关键功能，包括直接量化屏障功能，消化和吸收;形成气液界面;循环免疫细胞的生理募集;生理力学线索和流体剪应力的应用;与复杂微生物群持续共培养;通过内皮屏障传递药物和化学物质，复制组织对临床相关药物暴露谱的反应或预测人体药物的药代动力学参数。然而，这两种技术显然是协同的，因为由患者类器官来源细胞排列的器官芯片提供了一些目前可用的最强大的体外临床前模型。更重要的是，如上所述，器官芯片已经被反复证明可以模拟人类病理生理，并比动物模型更好地预测人类对治疗的临床反应，因此，当依赖动物试验数据时，门槛已经提高。值得注意的是，使用健康和患病人体器官芯片模型进行毒性和功效测试，与使用近亲繁殖的健康动物的现有测试方法相比，具有重大优势(框1)。此外，探索使用来自不同患者供体、来自特定遗传亚群的个体、甚至具有不同合并症(即其他持续慢性疾病)的患者的细胞制成的器官芯片所获得的结果的差异。可能会更好地复制体内临床数据的多样性，并可能有助于促进临床试验设计和提高成功率。此外，它们支持人类细胞与复杂的活微生物群长期共培养的能力为分析宿主-微生物相互作用以及在与人类相关的环境中测试潜在的益生菌或益生元疗法提供了工具。此外，当流体耦合创建人体芯片系统时，除了使基础科学家能够研究复杂的器官间相互作用(例如，月经周期或转移性癌症扩散)之外，它们还可以为制药科学家提供一个分析复杂药物配置、ADME和PK/PD行为的测试平台。这可能具有真正的临床价值:例如，体外定量预测人类药物PK/PD参数的能力可用于优化新疗法的剂量方案，从而缩短I期临床试验。

当难以在人体中进行研究时(例如，潜在致命辐射暴露的影响)，当需要使用不能识别非人体目标的生物制剂进行临床前测试时，或者当无法使用其他方法对遗传疾病进行建模时(图4)，器官芯片的应用可能特别有用。用患者来源的细胞构建芯片的能力也为治疗开发开辟了新的方法。特别是对患有罕见遗传疾病的患者。器官芯片提供了一种与人类更相关的替代动物模型，如基因工程小鼠，它们不能忠实地复制人类生理或疾病状态，但仍主导着今天的基础研究和药物开发。也许更重要的是，考虑到在一个地方聚集足够多的罕见疾病患者进行临床研究的困难，它可以提供一种方法，在开始全面试验之前，利用从世界各地的患者身上获得的细胞，在芯片上进行初步的人体试验，以优化候选药物的选择。人们还可以想象使用由女性细胞和男性细胞排列的器官芯片来规避目前人体临床试验中缺乏女性个体的问题，比较年轻细胞和年老细胞在芯片上进行儿科试验，或者在具有类似合共病的患者亚群中测试药物，因为在临床中这样做很困难(图4)。此外，由于很难在孕妇中进行安全的临床试验，在芯片上研究药物和毒素通过胎盘屏障的能力可以为药物开发人员提供一个有价值的新的临床前模型。

COVID-19大流行凸显了在病毒暴发期间加快药物再利用和发现的新方法的必要性，人体器官芯片已成功用于应对这一挑战。最近开发的淋巴滤泡芯片概括了生发中心的形成、浆细胞的产生、抗原特异性抗体类别的转换和相关的细胞因子的产生，为目前用于测试疫苗或药物的NHP模型提供了一种潜在的与人类相关的替代品，这些模型并不总是预测人类的结果，并且由于COVID-19大流行而严重限制了可用性。此外，利用肺气道芯片模拟病毒进化的能力提供了在新菌株出现之前预测新菌株的可能性，这可能会加速未来针对各种病毒(例如流感、SARS-CoV-2变体)的药物和季节性疫苗的开发。鉴于器官芯片能够在健康个体和慢性疾病患者(例如囊性纤维化)的组织中复制人类细菌感染，并模拟真菌感染，类似的方法也可用于发现针对新出现的耐抗生素生物的抗生素。

在短期内，使用由小鼠、大鼠、狗、NHP和其他动物细胞组成的器官芯片可能有助于验证这种方法，获得制药和学术科学家的认可，并提供一种应对“一个健康”挑战的方法，例如，通过开发动物模型来研究疾病媒介在到达人类之前是如何产生的(例如，蝙蝠器官芯片中的SARS-CoV-2感染)。然而，基于该领域使用iPS细胞的最新进展(表1)，现在可以想象未来使用来自同一患者的器官型细胞制造的单器官芯片或多器官芯片系统可以用作个性化的活体化身，以重新定位或选择更有效和毒性更小的治疗方法，优化递送路线并为特定患者设计剂量方案。从而开辟了精准医疗的新途径(图4)。这种方法将是昂贵的，因此早期的步骤可能是制造芯片，内衬来自代表独特遗传亚群的患者的原代或干细胞，并使用这些芯片为特定群体开发或选择新药，然后使用这些患者进行临床试验(图4)。这种中期方法可以缩短时间。降低成本，增加药物开发过程中成功的可能性。

尽管器官芯片技术大有作为，但在我们看到大量和种类的动物被取代之前，仍有技术、社会和经济方面的障碍必须克服。寻找高质量的人类细胞一直是一个巨大的挑战，但现在考虑到iPS细胞和类器官的可用性，这不是一个问题。大多数器官芯片也是低通量，但含量高;这在药物开发管道的后期阶段(例如，必须为药物开发选择先导化合物)可能是有价值的，但在早期发现阶段则不然。需要更高通量的系统来实现具有许多重复统计意义的研究，这对药物验证至关重要，事实上，最近开发的高通量器官芯片(即包含许多平行培养室的单个设备)仍然保留了药物开发人员所需的许多关键特征(表1)表明也应该走这条路。然而，这一目标也可以通过开发能够同时培养和分析多个低通量器官芯片的自动化仪器来实现。

人类器官芯片的制造使用了来自商业供应商的人类供体的原代细胞、已建立的细胞系和患者来源的类器官或iPS细胞(表1)。尽管普遍的观点是，从体外与体内相关性的角度来看，使用已建立的细胞系并不理想，使用原代细胞或患者来源的细胞显然是首选，细胞系在特定应用中可能是有价值的，只要模型通过实验验证，证明成功模仿与特定使用环境相关的体内人类反应。这是因为细胞系可以提供几乎无限的类似细胞供应，可以实现更高通量的研究，并潜在地提高结果的可重复性，这对于药物开发的早期阶段可能非常有价值。虽然iPS细胞具有相同的优势，但它们经常无法表现出完全成熟的分化表型，因此受到限制。然而，如果使用细胞系排列的芯片，则需要使用由原代细胞排列的器官芯片进行一组较小的先导化合物进行确认性后续研究。

另一个潜在的限制是人们普遍担心用于制造许多器官芯片的PDMS聚合物由于药物吸收而不能有效地用于药物研究;然而，事实证明，这并不像最初设想的那样是一个严重的问题。PDMS的显著吸收仅在高度疏水药物中观察到，这代表了小分子治疗药物的一个子集，而现实情况是，目前开发管道中超过40%的药物是不存在这些问题的生物制剂(例如，治疗性抗体或RNA治疗药物)。已经描述了一些缓解策略，例如通过使用质谱法定量药物水平来计算校正吸收效应，这些策略规避了大多数药物的这一问题(例如，对27种不同的小分子药物，包括疏水化合物的测试表明)。事实上，本文回顾的大多数器官芯片研究都使用了PDMS设备(表1)，其中包括那些在临床相关药物暴露下表现出体内模仿反应的研究，以及能够定量预测人体药代动力学参数的研究。然而，对于少数高度疏水的化合物(例如，性类固醇)，被PDMS吸收仍然是一个复杂的因素。这一限制可以通过用非吸收性涂层涂覆PDMS来规避，使用吸收性较低的替代柔性弹性体材料(例如，某些聚氨酯，苯乙烯嵌段共聚物，聚碳酸酯-热塑性弹性体混合物)或使用非吸收性的刚性热塑性塑料(例如，聚苯乙烯或聚碳酸酯)。

也许我们面临的最大挑战是一个概念上的挑战:许多制药、监管和学术研究人员目前在他们开展研究的方式上投入了大量资金，他们可能对改变自己的方式持谨慎态度;在他们接受这项新技术进入实验室之前，需要有令人信服的数据来证明人体器官芯片比动物模型更有优势。尽管如此，在IQ Consortium和FDA等组织的帮助下，现在必须达到一些基准，才能验证将人体器官芯片用作动物替代品的有效性，这一领域的第一次进展正在显现。因此，我们现在正处于这一领域的一个转折点，在不久的将来，有可能看到动物使用的真正减少，并在药物开发和个性化医疗以及基础研究中应用更有效的方法。


参考文献：
Ingber, D.E. Human organs-on-chips for disease modelling, drug development and personalized medicine. Nature Reviews Genetics 23, 467–491 (2022). https://doi.org/10.1038/s41576-022-00466-9

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