微流控器官芯片及其在毒理学评价中的应用与展望

苏 曼，李 翔，华辰凤，赵 阁，尚平平，赵俊伟，王 昇，谢复炜

中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号450001

微流控芯片技术又称芯片实验室（Lab-on-a-chip），即把样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块芯片上，用来实现常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术，是目前公认的生物学研究主要技术平台之一［1］。最初，微流控芯片被用于以微型色谱和毛细管电泳构建“微全分析系统µ-TAS”或“芯片实验室”模型来代替实验室分析的传统分析方法［2］。随着微流控芯片技术的广泛应用，研究人员开始将其应用于细胞生物学领域，利用微加工技术实现芯片上的细胞培养［3］，在微流控芯片上制造出能够模拟人类器官主要功能的仿生系统，也称为“器官芯片（Organ-on-chip）［4-5］”。器官芯片利用微流控技术可以产生精确可控的流体剪应力、周期性变化的机械力和溶质浓度梯度变化的灌注液体［6-7］。通过多种细胞的灵活组合，还可以在微流控芯片平台上研究组织-组织、器官-器官的相互作用，从而模拟人体器官的复杂结构、微环境和生理功能［8-9］，其中微环境的模拟、组织-器官的相互作用模型以及类器官模型的可变性是器官芯片面临的技术挑战和未来致力的研究方向［10］。器官芯片在细胞三维培养方面具有的独特优势，弥补了传统二维细胞培养模式难以实现人体组织器官复杂生理功能的局限，解决了动物实验周期长、成本高、难以预测人体对于各种药物响应的问题［11］，符合“21世纪毒理学”的愿景与策略，实现了体内研究的体外代替，在微纳尺度上实现多维度的生命分析。……