疾病研究新范式：类器官和器官芯片技术
2024-08-13111类器官是由来源于健康个体或患者的多能干细胞或成体干细胞培育而成的三维立体微型结构，通过将3D器官型系统培养与微流控技术相结合，产生“器官芯片”。这些芯片模型在可控的干细胞微环境中，能够模拟更为复杂的器官结构和功能，从而促进了类器官的发展和成熟[1]。
相比传统的二维培养模型，类器官代表着一种能够概括整个生物体生理过程的创新技术，具有更接近生理细胞组成和行为、更稳定的基因组、更适合于生物转染和高通量筛选等优势。与动物模型相比，类器官模型的操作更简单，还能用于研究疾病发生和发展等机理。
类器官技术提供了模拟由诱导突变引起的人类遗传疾病的理想模型。通过使用CRISPR/Cas9等基因编辑技术，可以研究某些和遗传缺陷相关的疾病。此外，为高通量药物发现提供潜在的研究工具，实现准确的毒性测试和临床前研究。因此在疾病模型构建、神经退行性疾病研究、癌症研究、毒性研究等领域均有着广泛的应用。
类器官可以在器官水平上模拟疾病病理学特征，并为后续的转化研究提供有效的疾病模型。例如，通过建立患者胃肠道肿瘤的类器官库，使用从穿刺活检组织中解离的细胞，悬浮于基质胶中培养产生患者来源的类器官，与原始体内肿瘤显示出高度的基因型和表型相似性[2]。
通过构建基底干细胞衍生的嗅觉上皮类器官作为阿尔茨海默病的研究模型，采用多模态时空监测技术，将阻抗生物传感器和实时成像相结合，记录类器官组织的生长发展及阿尔茨海默病的发展进程。利于深入探索神经退行性疾病的发展机制，并助力开发新的治疗方法[3]。
通过将肿瘤组织来源的癌症类器官与微流控设备相结合，“癌症芯片”可以模拟重建肿瘤及其微环境，有助于更好地了解其在体内的行为，改善药物疗效的临床前评估。通过构建微流控肿瘤-血管界面模型，可以进一步研究肿瘤组织与其他器官之间的相互作用。例如，构建模拟肿瘤和血管之间的3D界面模型，以研究肿瘤细胞侵入血管的过程；使用实时成像跟踪不同隔室之间的相互作用，发现巨噬细胞介导的血管损伤促进了肿瘤细胞的侵入[4]。
类器官和器官芯片被广泛应用于毒性研究，以提高药物研发的效率，减少对动物的依赖，同时提高药物的安全性和有效性。器官芯片通过构建体内细胞和器官的关键生物学特征，重现更具生理学特性、更加接近于人体的微环境。例如，通过构建肝脏类器官芯片用于毒性研究：模拟肝脏的代谢、解毒和药物代谢功能，评估化合物对肝脏的毒性[5]。
未来展望
在丹纳赫，我们汇集科学、技术和运营的能力，让未来科技对今日生活的影响得以加速实现。丹纳赫生命科学提供类器官研究多维的综合解决方案，旗下运营公司的先进设备助力类器官和器官芯片的研究开发。
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以标准化、自动化、智能化为导向，通过整合液体工作站、显微镜、培养箱等全套设备，利用人工智能辅助监测、培养、成像和调度，提高类器官等细胞模型培养的一致性、稳定性和规模，使检测更加可靠和可重现。
人工智能软件辅助培养，真正无人值守，提高培养一致性
内置标准化实验方案，提高标准化和培养成功率
统一直观的软件界面，使用方便，节省培训时间
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应用方向：生物医学基础科学研究（发育机制、疾病发生发展机制、罕见病模型构建、传染病、基因编辑等），肿瘤类器官药敏检测，新药研发（模型构建、药效、毒性评估、适应症拓展等），再生医学以及类器官样本库构建。
的CellXpress.ai
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参考文献
1. Yan HHN, Chan AS, Lai FP, Leung SY. Organoid cultures for cancer modeling. Cell Stem Cell. 2023, 30(7): 917.
2. Sun WJ, Luo ZM, Lee JM, et al. Organ-on-a-Chip for Cancer and Immune Organs Modeling. Advanced healthcare materials. 2019, 8: 1801363.
3. Liu MX, Jiang N, Qin CL, et al. Multimodal spatiotemporal monitoring of basal stem cell-derived organoids reveals progression of olfactory dysfunction in Alzheimer's disease. Biosens Bioelectron. 2024, 246: 115832.
4. Zervantonakis IK, Hughes-Alford SK, Charest JL, etal. Three-dimensional microfluidic model for tumor cell intravasation and endothelial barrier function. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012, 109: 13515.
5. Messelmani T, Morisseau L, Sakai Y, etal. Liver organ-on-chip models for toxicity studies and risk assessment. Lab Chip. 2022, 22: 2423.
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