器官晶元介紹實例（五）Human-on-a-chip 人體晶元

科研工作者正在努力建立一個多通道3D微流體細胞培養系統，該系統可通過以3D方式培養細胞聚集體從而能夠區分體並模擬身體中的多個器官內微環境[1]。現今大多數器官晶元模型只培養一種細胞類型，因此，儘管這些培養系統被譽為是研究整個器官功能的有效模型，但是在人體的全身的藥物作用尚未得到驗證。

圖1 人體晶元的概念示意圖

通過設計不同器官相連接的仿生裝置能夠潛在地突破器官晶元研究上最重要的限制之一：器官晶元的獨立性。

特別地，這些研究者們開發了包括肺細胞，藥物代謝的肝臟和脂肪細胞的細胞培養物類似物（integrated cell culture analog,μCCA）綜合體。 細胞培養在含有血液代用品循環的培養基的二維流體網路，從而有效地提供了營養傳輸系統，同時還能去除掉細胞培養中的廢液[2]。μCCA的進一步開發為體外藥物代謝動力學模型奠定了基礎，同時還提供了一種用於培養具有高保真體內情況的多種類型細胞類型聯合培養的綜合仿生系統。C. Zhang等人已經開發了一種微流控人體 - 晶元，同時培養了四種不同類型的細胞，以模擬四種人體器官：肝，肺，腎和脂肪[3]。這些研究者致力於開發一種在標準無血清培養基中培養所有細胞類型的裝置。 經優化的標準培養基通常針對一種特定的細胞類型，而人體晶元顯然需要一種所有類型細胞能通用的培養基 common medium (CM)。 事實上，這些研究聲稱已經確定了一種細胞通用培養基，在用於灌注微流控裝置里，適用於所有類型的細胞，維持細胞的正常功能水平。提高體外培養細胞的敏感性可以確保裝置的有效性，或保證在微通道中注入的藥物刺激樣品與細胞的反應能與人體器官的生理和代謝反應相同。

隨著這種晶元的深入發展，製藥公司可能能夠檢測器官之間的直接影響。例如，生物化學物質在器官晶元中傳遞可用於篩選以確認這種化學物質有益於其中的一種細胞類型，而它不損害其他器官的功能。此外，3D印表機已被用於製作這些器官晶元的方法之一[4]，但這樣精細的方法成本太高。

設計將各個單獨的器官連接起來的人體全身仿生裝置是製藥公司開發器官晶元的最終目的。隨著這些設備的製造和加工技術取得了越來越大的進步，設計的複雜程度將呈指數級增加。系統將很快同時提供可通過循環系統的機械擾動和流體流動。例如，密西根大學的Takayama說到「任何需要動態控制去替代原有靜態控制的事情都是一個挑戰」[5]。

目前開發這些類人體晶元目的在於設計能夠動態控制細胞微環境的各種培養條件（溫度，pH，O2）在體外模擬幾種器官的生理條件下進行培養（空氣/液體界面培養，機械拉伸等）。 由於微流控技術的持續發展，到2018年底，這種人體晶元可能在市場被應用[6]。

參考文獻：

[1] Luni C, Serena E, Elvassore N, et al. Human-on-chip for therapy development and fundamental science.[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2014: 45-50.

[2] Viravaidya K, Shuler M L. Incorporation of 3T3‐L1 cells to mimic bioaccumulation in a microscale cell culture analog device for toxicity studies[J]. Biotechnology progress, 2004, 20(2): 590-597.

[3] Zhang C, Zhao Z, Rahim N A A, et al. Towards a human-on-chip: culturing multiple cell

[4] Murphy S V, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs[J]. Nature biotechnology, 2014,

[5] Baker M. Tissue models: a living system on a chip[J]. Nature, 2011, 471(7340): 661-665.

[6] http://www.cherrybiotech.com/cherry-biotech-organ-on-chip-research-project

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