01 傳統模型的局限性

二維模型的培養環境會影響細胞的形態、細胞分裂方式、基因表達和細胞分泌和生理功能。

而且細胞也會喪失極性，影響細胞的重要信號通路，二維模型也不具備生理機械信號的刺激。

聽說還有動物實驗模型，這個體外模型怎么樣呢？

動物模型研究有滯后性，而且在動物身上起作用又不一定適合人類，實驗程序和飼養動物的環境條件發生變化，生理過程中的種間變異以及遺傳等因素，都會導致模型功能異常。

那聽起來真是山重水復沒有路了。

不是的，還有器官芯片呢，科研界的柳暗花明！聽我給你細細道來~

02 器官芯片的定義

傳統2D模型和動物實驗模型都具有一定的局限性，從而推動了大量研究向替代模型的發展。器官芯片逐漸就成為彌補這些局限性的不二選擇。

微流控芯片是利用微工程技術在三維(3D)系統中培養細胞，當然也包括培養類器官。類器官是器官特異性的多細胞3D培養，概括了相應器官的一些關鍵結構和功能特性。

器官芯片應用于生物醫學研究的微流控芯片已經迅速發展，器官芯片就是一種用于細胞培養的微流體裝置，它由連續灌注的腔室組成，腔室由活細胞組成，用來再現組織的生理功能。

03 器官芯片的發展潛力

與傳統的2D細胞培養系統相比，器官芯片設備能更好地復制微架構、微環境和組織與組織的界面，幫助研究復雜的人類器官和細胞的生理過程，這是一大研究創新與突破。下面將詳細介紹肺芯片的有關概況。

在肺類器官方面，廣泛的研究已經從多種來源開發肺類器官，包括人類多能干細胞(hPSCs)、原代呼吸細胞和旨在模擬肺的細胞系發育、再生和疾病產生等方面。

肺器官芯片細胞培養裝置可復制和模擬人肺的3D微體系結構和微環境、呼吸運動以及人肺的主要生理功能，已經顯示出研究人類的生理和疾病的病因的潛力。

04 肺芯片技術

1、基于光刻的微加工技術

研究員首先使用lithog-raphy-based微制造技術設計了一種聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)肺芯片模型。該模型由上下微通道組成，由一層薄薄的(10μm)柔性微孔胞外基質(ECM)包被膜隔開(如圖的A、B)。

在纖維連接蛋白或膠原蛋白包被的多孔膜上，其上半部由培養的人肺泡上皮細胞組成，下半部由培養的人肺毛細血管內皮細胞組成。

當肺泡細胞融合，將上通道的介質吸出，這樣就與肺泡細胞形成了一個氣液界面，下通道維持培養基連續流動。柔性PDMS側壁有規律的機械拉伸和中央多孔膜與粘附的細胞層拉伸，模仿了生理呼吸運動。

使用相同的技術，其他研究人員設計了另一個包含上皮細胞氣道的微流控肺模型。將這些細胞分別培養在氣液界面，肺成纖維細胞和微血管內皮細胞三個垂直堆疊的腔室中，每個腔室由納米孔膜隔開(圖D)。

2、熱塑性塑料技術

器官芯片領域相關研究員開發了一種肺芯片上氣道的熱塑性芯片(圖C)。芯片復制模擬了肺氣道微環境中光滑肌肉細胞(SMCs)、上皮細胞(ECs)以及支持ECM(膠原、基質或兩者結合)之間的相互作用。

該芯片含有氣液界面培養的上皮細胞，懸浮水凝膠層代替了培養SMCs的膜和介質物。該裝置可拆卸提取懸浮水凝膠進行進一步分析，可用于研究SMC、EC和細胞基質在慢性肺部疾病(CLDs)發展中的相互作用。

參考文章：

Lung-on-a-chip: the future of respiratory disease models and pharmacological studies Biotechnology, 40:2, 213-230, DOI:10.1080/07388551.2019.1710458