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一文读懂什么是类器官芯片！

Publish time：2025-12-27
在当今前沿的生物医学研究领域，类器官芯片正逐渐崭露头角，成为备受瞩目的焦点技术。它融合了微流控芯片技术、组织工程学以及干细胞生物学等多学科知识，为人类健康研究与疾病攻克开辟了全新的道路。


什么是类器官芯片？
类器官芯片，是一种构建于微小芯片之上的人体器官模型。它和传统模型相比有了质的飞跃，能够高度仿真地模拟人体器官的生理结构与功能。此类芯片通常采用透明、可塑的聚合物材料制成，这种材料既便于研究人员从外部直接观察芯片内部细胞的生长状态，又能满足制作复杂内部结构的需求。

图丨傲睿科技研发芯片图

芯片内部有着精细设计的微小通道和腔室系统，这些结构有着明确的功能分工。微小通道负责运输细胞生长必需的营养物质，它们依据细胞的分布与代谢需求，将各类养分精准送达，确保细胞能够持续正常生长；同时也能精准调控氧气的传输，使细胞所处环境的氧含量与人体内实际情况相符。腔室则为细胞提供了稳定的生长空间，并且整个芯片系统能模拟体内的流体力学环境，让细胞所处的微环境时刻处于动态变化中，就如同细胞在人体自然状态下一样，不断适应流体的流动、压力的变化等，使得细胞行为和反应更接近真实的人体生理状态。

类器官芯片的构建依赖于细胞培养技术。研究人员首先采集人体干细胞或原代细胞，将其接种至芯片上。（传统的胶滴法进行类器官培养需要培养3-5天才能形成类器官球，利用BP4000高精度3D细胞打印机进行原代、传代类器官的打印接种可以有效缩短这一过程，只需要1-3天即可长成类器官球。）通过严谨地调控环境温度、湿度，以及向芯片内添加适宜的生长因子等操作，促使细胞开启分化进程。随着时间推移，细胞依据自身的生物学特性以及所处的微环境条件，逐渐发育形成具备特定器官形态与功能特征的类器官。

以肝脏类器官为例，其内部细胞会依照肝脏组织的天然架构模式进行排列组合，进而形成类似肝脏小叶的结构，展现出如解毒、蛋白质合成等肝脏所特有的代谢功能；心脏类器官则能够自主、有规律地收缩舒张，重现心脏的基本生理功能。这些类器官以微观的形式呈现出人体器官的关键特性，为科学家深入探究人体生理机制提供了可靠的模型支撑。
类器官芯片的起源与工作原理
类器官芯片的起源
类器官芯片的起源可以追溯到 20 世纪 70 年代，当时科学家们开始探索微流体学。1990 年，微流体学尝试应用于细胞培养系统以提升实验精度。2000 年代初，康奈尔大学的 Michael L. Shuler 博士等人成功研制出首个微流控器官芯片，为器官芯片技术的发展奠定了基础。2009 年，Hans Clevers 团队使用单个 Lgr5 + 肠干细胞在体外成功构建了第一个具有肠隐窝－绒毛结构的肠类器官，开启了类器官技术发展的新纪元。
图丨类器官之父 Hans Clevers
图源丨网络
此后，随着类器官技术的不断发展，胃、视网膜、脑、肝、肾、皮肤、胰腺、肺、生殖器官及相应的肿瘤类器官被相继成功构建。但类器官培养技术存在缺乏生理相关性、成熟度和功能不完善、可重复性和稳定性差、缺乏动态性和适应性以及高通量和规模化受限等局限性。为了解决这些局限性，从事干细胞的研究人员与医学工程技术专家等科学家联合构建有效的类器官体外模型，类器官芯片技术应运而生。
类器官芯片的工作原理
构建与培养
首先是构建类器官芯片，一般选用透明且可塑的聚合物材料，像聚二甲基硅氧烷（PDMS）、玻璃、硅、有机玻璃等来制作。在芯片上精心构造微小通道和腔室，这些结构各司其职，能精准把控细胞生长必需的营养物质配送，确保氧气的稳定输送，还能模拟体内复杂多变的流体力学环境。

接着就是细胞培养环节，科研人员采集人体干细胞或原代细胞接种到芯片上，随后通过严谨调控温度、湿度，添加特定生长因子等精细操作，引导细胞开启分化进程，逐渐形成具有特定器官形态与功能特征的类器官。比如肝脏类器官内部细胞会有序排列成类似肝脏小叶结构，展现解毒、合成蛋白等代谢能力，心脏类器官能自主规律地收缩舒张。
模拟与功能实现
类器官芯片的另一关键在于模拟人体生理环境，一方面它能模拟微环境里免疫细胞的活动、搭建血管模拟营养供给、复现生物机械力以及化学信号等，甚至可以让多个器官系统在芯片上共培养，高度还原人体内组织细胞所处微环境。

另一方面，以肺芯片为例，芯片槽道设有三个并列流体通道，两边通真空，中间植入细胞。正中间加一层带小孔的通透性生物膜，膜两面分别铺满肺细胞与人肺毛细血管细胞，空气在膜上流通，培养基在膜下流动，如此便能模拟人体肺泡呼吸收缩过程，还能进一步模拟肺部感染时白细胞抗击细菌入侵的场景，实现对特定功能的深入研究。
类器官芯片的优势
1. 高度仿生
传统二维细胞培养将细胞铺在平面培养皿上，细胞只能形成单层，缺乏体内器官的三维立体结构，细胞间相互作用简单且与真实生理状态相差甚远。而类器官芯片能重现人体器官复杂的三维结构，细胞在芯片中所处的微环境与体内相似，彼此间的相互作用、信号传导更接近真实生理状态，这使得研究结果的可信度大幅提升。
2. 减少动物实验
长期以来，动物实验是药物研发、疾病机制探究的重要手段，但动物模型与人类存在物种差异，导致部分实验结果转化困难。例如抗心律失常药物妥卡尼，在小鼠实验中，妥卡尼能有效抑制心肌细胞的异常电活动，减少心律失常的发生，对小鼠的心脏功能影响较小。但在人体临床试验中，部分患者出现了严重的不良反应，如肺纤维化、粒细胞缺乏症等，还存在疗效不佳的情况，对一些复杂心律失常的治疗效果远不如在小鼠模型中显著。

类器官芯片提供了人体组织的直接模型，在早期筛选阶段部分替代动物实验，既符合伦理要求，又降低成本、缩短研发周期，为解决传统动物模型的转化难题提供了新思路。
3. 高通量潜力
传统的药物研发、疾病筛查等工作，无论是基于细胞培养还是动物实验，都难以实现大规模、高通量的样本处理。细胞培养需要大量人工操作，动物实验更是受限于动物数量、饲养空间等因素。

而随着技术的发展，类器官芯片有望实现大规模、高通量的样本处理。通过自动化设备与芯片阵列的结合，可以同时对多个类器官样本进行不同条件的测试，大大提高了工作效率，为快速推进科研项目提供了可能，打破了传统技术在这方面的束缚。



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