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芯片上的患者—多器官串聯(lián)芯片Multi-Organ-on-Chip應(yīng)用于精準(zhǔn)醫(yī)療

翻譯整理：北京佰司特科技有限責(zé)任公司

An Individual Patient's "Body" on Chips – How Organismoid Theory Can Translate Into Your Personal Precision Therapy Approach

Frontiers in Medicine, 2021, Vol. 8

Marx U, Accastelli E, David R, Erfurth H, Koenig L, Lauster R, Ramme AP, Reinke P, Volk HD, Winter A, Dehne EM

類有機(jī)體的概念在12年前就被提出來(lái)，當(dāng)時(shí)被稱為“芯片上的人體human-on-a-chip"或“芯片上的身體body-on-a-chip"，從“多器官串聯(lián)芯片Multi-Organ-on-Chip"發(fā)展而來(lái)，將多個(gè)類器官串聯(lián)起來(lái)培養(yǎng)。微生理系統(tǒng)MPS成為體外在生物學(xué)上可接受的最小尺度模擬人體生理和形態(tài)的技術(shù)平臺(tái)，因此，微生理系統(tǒng)能夠精度為每個(gè)患者篩選出個(gè)性化治療方案。與此同時(shí)，第一個(gè)人類類器官——干細(xì)胞衍生的復(fù)雜三維器官模型，可以在體外擴(kuò)增和自我組織——已經(jīng)證明，只要給人類干細(xì)胞提供相應(yīng)誘導(dǎo)分化及生長(zhǎng)環(huán)境，就可以在體外自我組裝成人體類器官。這些早期的類器官可以精確地反映出人體中對(duì)應(yīng)器官的一系列生理狀態(tài)和病理特征。我們現(xiàn)在把過(guò)去的“芯片上的人體human-on-a-chip"的概念發(fā)展成“類有機(jī)體Organismoid"的理論。首先，我們提出了“類有機(jī)體"的概念，即通過(guò)體外的自我組裝的過(guò)程，模仿個(gè)體從卵細(xì)胞到性成熟的發(fā)生過(guò)程，培養(yǎng)出的——微小的、無(wú)思維、無(wú)情感的體外的人體等效物。隨后，我們提出了類有機(jī)體的分化和培養(yǎng)方法，使其能在體外長(zhǎng)時(shí)間維持正常功能，以及通過(guò)自然或人工誘發(fā)疾病干擾類有機(jī)體來(lái)模擬個(gè)體疾病過(guò)程。最后，我們討論了如何使用這一系列健康和疾病模型的類有機(jī)體來(lái)代替病人，測(cè)試藥物療效或藥物劑量，即個(gè)體化精準(zhǔn)醫(yī)療。

圖1 |每個(gè)人個(gè)體命運(yùn)的類有機(jī)體。(A）個(gè)體發(fā)育（黃色）從卵細(xì)胞受精開(kāi)始，隨后出生，并在18 ~ 20年后性成熟，發(fā)育出功能完整的大腦和成年骨骼。然后，成人的身體會(huì)經(jīng)歷一個(gè)持續(xù)數(shù)十年的功能和結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的階段。隨著身體年齡的增長(zhǎng)，這個(gè)成年期會(huì)被不斷延長(zhǎng)的生病和康復(fù)期打斷（粉色）。情感和意識(shí)——人類的靈魂和思想——從童年開(kāi)始連續(xù)發(fā)展，并貫穿一生。（B）根據(jù)類有機(jī)體理論，個(gè)性化的類有機(jī)體可以通過(guò)持續(xù)幾個(gè)月的體外培養(yǎng)（黃色）來(lái)建立。由此產(chǎn)生的成體類有機(jī)體可以模擬健康人類成年幾周（S-短期）、幾個(gè)月（M-中期）或幾年（L-長(zhǎng)期）的階段。然后，這些可以用來(lái)模擬急性、亞慢性和慢性疾病時(shí)期（粉色）和個(gè)體在相應(yīng)的時(shí)間框架內(nèi)的治療后恢復(fù)。大量相同的類有機(jī)體還可以提供足夠數(shù)量的生物學(xué)重復(fù)和對(duì)照，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，真實(shí)性，可重復(fù)性。此外，這些健康的類有機(jī)體在預(yù)防醫(yī)學(xué)的評(píng)估方面很有用，比如為各自的個(gè)體接種疫苗。

類有機(jī)體理論

人的個(gè)體壽命的特征是人體的生理和形態(tài)的發(fā)育階段（發(fā)育期）和功能維持階段（成年期），以及個(gè)體與社會(huì)在靈魂和思想上的雙向交流，如圖1A所示。

社會(huì)起源本質(zhì)上與人的大腦的大小和結(jié)構(gòu)有關(guān)——大腦由大約860億個(gè)神經(jīng)元以及數(shù)量大致相等的非神經(jīng)元細(xì)胞（2）組成，這些細(xì)胞高度連接，聚集在一起處理、整合和協(xié)調(diào)它從感覺(jué)器官接收到的信息（3）—以及它與身體其他部分的相互聯(lián)系。成熟的人體生理遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的進(jìn)化，即選擇性結(jié)構(gòu)計(jì)劃，也就是組成遵循功能。早在2007年，我們就注意到這樣一個(gè)事實(shí):“……幾乎所有的器官和系統(tǒng)都是由多個(gè)相同的、功能獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元組建成的，從幾個(gè)細(xì)胞層到幾毫米組織。由于其能性、高度的自立性和這些結(jié)構(gòu)單元在各自器官中的多樣性，它們對(duì)藥物和生物制劑的反應(yīng)模式幾乎代表了整個(gè)器官。大自然創(chuàng)造了這些微小但復(fù)雜的結(jié)構(gòu)單元，以實(shí)現(xiàn)器官和系統(tǒng)最主要的功能。在一個(gè)特定的器官內(nèi)，這些結(jié)構(gòu)的重復(fù)是天然的風(fēng)險(xiǎn)管理工具，以防止器官局部損傷時(shí)功能喪失。然而，從進(jìn)化的角度來(lái)看，這一概念使得器官的大小和形狀可以很容易地調(diào)整到特定物種的需要（例如，小鼠和人類的肝臟使用幾乎相同的結(jié)構(gòu)單元）（4）。這一理論，結(jié)合微生理系統(tǒng)（MPS）的發(fā)展，為在生物芯片上以生物學(xué)上可接受的最小尺度模擬人體的器官提供了理論基礎(chǔ)（5-7）。2012年，我們引入了“芯片上的人體"（man-on-a-chip）的概念，從“多器官串聯(lián)芯片Multi-Organ-on-Chip"發(fā)展而來(lái)，即將多個(gè)類器官（比體內(nèi)縮小10萬(wàn)倍）串聯(lián)起來(lái)培養(yǎng)。我們舉例說(shuō)明了人體主要器官的功能單位，并簡(jiǎn)要描述了減小尺寸的原理（5）。這是發(fā)展一種理論的起點(diǎn)，即建立一種微小的、無(wú)思維、無(wú)情感的體外的人體等效物，我們現(xiàn)在稱之為organismoids類有機(jī)體。不同的術(shù)語(yǔ)，如芯片上的人體，芯片上的身體，或通用的生理模板，在過(guò)去已經(jīng)被用于代表有機(jī)體。在MPS領(lǐng)域中已經(jīng)使用過(guò)這個(gè)概念，通過(guò)培養(yǎng)10個(gè)人的主要器官的等效物（類器官）來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的體內(nèi)平衡：循環(huán)，內(nèi)分泌，胃腸道，免疫，皮膚，肌肉骨骼，神經(jīng)，生殖，呼吸和泌尿系統(tǒng)。

基于芯片，串聯(lián)培養(yǎng)這些器官模型的系統(tǒng)構(gòu)成了最小的有類有機(jī)體，MPS領(lǐng)域預(yù)測(cè)至少還需要10年才能在芯片上建立這樣的功能性類有機(jī)體（8，9）?？梢杂脕?lái)模擬單個(gè)患者的疾病和健康狀態(tài)，如圖1B所示，從而能夠?yàn)槊總€(gè)患者精確選擇正確的藥物或療法和用藥方案。除了用于精準(zhǔn)醫(yī)療之外，從選定的患者中提取的生物樣本還可以進(jìn)一步用于在芯片上進(jìn)行臨床試驗(yàn)。2018年，毒理學(xué)研究前沿論壇（Investigative Toxicology Leaders Forum）討論了在細(xì)胞模型中模擬人類生理學(xué)的潛力，該論壇聚集了14家歐洲制藥公司的代表（圖2）（10）。

類有機(jī)體的理論基于兩個(gè)按時(shí)間順序相互關(guān)聯(lián)的概念，每個(gè)概念有三個(gè)實(shí)施原則。類有機(jī)體的體外發(fā)育依賴于（i）（誘導(dǎo)多能）干細(xì)胞為基礎(chǔ)的體外早期類器官形成；（ii）以生理學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)血液灌流和神經(jīng)分布，應(yīng)用于芯片上的MPS，將此類早期器官的比例/數(shù)量整合為早期自我維持的類有機(jī)體；以及(iii)通過(guò)類器官在芯片上的串聯(lián)培養(yǎng)加速刺激個(gè)體發(fā)育，完成體外個(gè)體發(fā)育成為健康成熟的類有機(jī)體（模擬成年期）的轉(zhuǎn)變。

因此，利用芯片上的類有機(jī)體模擬病人的疾病和治愈過(guò)程的概念遵循以下原則：（一）通過(guò)自然疾病過(guò)程或通過(guò)來(lái)自病人的病原體或病變組織的傳播在生物體中誘發(fā)疾?。唬╥i）通過(guò)對(duì)同一個(gè)患者來(lái)源的健康和病變類有機(jī)體進(jìn)行相同數(shù)量的試驗(yàn)來(lái)模擬對(duì)大量患者進(jìn)行的人體臨床試驗(yàn)；以及（iii）為每個(gè)患者精確選擇正確的藥物或療法和用藥方案。

在這篇文章中，我們帶你通過(guò)類有機(jī)體理論的概念和原則，用實(shí)際結(jié)果闡述它對(duì)我們的醫(yī)療保健系統(tǒng)的性創(chuàng)新的潛力，并提供一個(gè)可行性方法的展望。

干細(xì)胞和患者來(lái)源的類器官教會(huì)了我們什么?

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們一直對(duì)導(dǎo)致體內(nèi)組織特異性形態(tài)發(fā)生和器官發(fā)生的生化和生物物理線索著迷不已。由于缺乏更多與生理相關(guān)的測(cè)試系統(tǒng)，他們的研究?jī)H限于經(jīng)典的細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物模型。這些模型極大地增強(qiáng)了我們對(duì)細(xì)胞功能和疾病機(jī)制的基本認(rèn)識(shí)。然而，如何將這些結(jié)果轉(zhuǎn)化為人體的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的難題。最近干細(xì)胞研究和三維（3D）培養(yǎng)系統(tǒng)的進(jìn)步已經(jīng)產(chǎn)生了一種有希望的復(fù)雜和人源的模型，稱為類器官。這些類器官由多能干細(xì)胞（PSCs）（誘導(dǎo)PSCs [iPSCs]或胚胎干細(xì)胞)、成體干細(xì)胞（ASCs）或成體腫瘤組織通過(guò)自組織產(chǎn)生。它們?cè)谒幬锇l(fā)現(xiàn)和個(gè)性化醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)被驗(yàn)證（11），并提供了生成個(gè)性化數(shù)據(jù)的第一個(gè)概念證明（12）。

類器官組織保持其持續(xù)增殖和分化為各自器官的不同細(xì)胞類型的能力，同時(shí)通過(guò)仔細(xì)調(diào)整微環(huán)境線索，如模擬體內(nèi)干細(xì)胞生態(tài)位，保存干細(xì)胞庫(kù)。與二維單層培養(yǎng)相比，3D類器官培養(yǎng)更緊密地模擬了基因和蛋白質(zhì)表達(dá)以及代謝能力所顯示的器官的生理行為。大多數(shù)類器官都需要一個(gè)基于層粘連蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境。 而膠原蛋白，相當(dāng)于體內(nèi)細(xì)胞周圍的物理支架。在大多數(shù)情況下，這種基質(zhì)是來(lái)源于動(dòng)物的，沒(méi)有明確的指標(biāo)，因此，可能會(huì)出現(xiàn)批次到批次的變化（13）。此外，類器官（ASC-或PSC -衍生）的分化過(guò)程取決于許多不同的因素，如生長(zhǎng)因子、基質(zhì)、基質(zhì)剛度、細(xì)胞-細(xì)胞接觸、細(xì)胞密度、氧水平、營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)或體外自組織和細(xì)胞命運(yùn)決定的隨機(jī)性。因此，在標(biāo)準(zhǔn)的離體培養(yǎng)條件下，類器官的成熟和功能存在高度的異質(zhì)性。

PSCs衍生的類器官在體外模擬胚胎發(fā)育。因此，這些類器官在發(fā)育研究中具有重要價(jià)值。利用不同的生長(zhǎng)因子將PSCs引入相應(yīng)的胚層——中胚層、內(nèi)胚層或外胚層。隨后，進(jìn)一步的生長(zhǎng)因子混合物被用來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞形成分化的類器官。在這里，基質(zhì)蛋白在類器官形成中起著至關(guān)重要的作用，經(jīng)常被用來(lái)模擬基底層。

圖2 | 在當(dāng)前的細(xì)胞模型圖中定位人的類有機(jī)體——芯片上的人體等效物（類器官）（10）。

分化的類器官可能由不同類型的細(xì)胞組成——上皮細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞，甚至可能通過(guò)內(nèi)在分化（14）或內(nèi)皮細(xì)胞或中胚層祖細(xì)胞的外源性添加獲得初始內(nèi)皮網(wǎng)絡(luò)（15,16）。培養(yǎng)PSC來(lái)源類器官的時(shí)間因組織類型而異，通常需要2周至3個(gè)月（17），但可以持續(xù)半年或更長(zhǎng)時(shí)間，如皮膚類器官（18）或腦類器官（19）。

患者特異性的PSC來(lái)源類器官是通過(guò)將體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞而產(chǎn)生的。然而，這可能需要幾個(gè)月的時(shí)間。器官類分化的效率在組織類型甚至誘導(dǎo)方案之間差異很大。此外，iPSC衍生的類器官傳代的可能性有限。

由于缺乏可用的組織樣本，從一些組織（如大腦）的ASCs中很難產(chǎn)生類器官。因此，PSC衍生的類器官對(duì)于腦類器官的生成是很有價(jià)值的。這些類器官已經(jīng)在3D球形懸浮培養(yǎng)中培養(yǎng)了長(zhǎng)達(dá)2年以上，且沒(méi)有傳代（19,20）。

從ASCs衍生的類器官是從具有再生能力的成人組織中產(chǎn)生的。例如，早期人類牙齒或毛囊發(fā)育模型在體外應(yīng)用間充質(zhì)凝結(jié)原理，分別從供體來(lái)源的祖細(xì)胞中產(chǎn)生基板或真皮乳頭類器官（21,22）。然而，只有組織的上皮部分才能被生成類器官。基質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)在這些模型中缺失。  ASC衍生的類器官的主要好處在于，它們可能來(lái)自健康組織或腫瘤組織。類器官形成ASCs通常只需要幾天時(shí)間，類器官穩(wěn)定，可以長(zhǎng)期培養(yǎng)和擴(kuò)張。不同的生長(zhǎng)因子組合被用于類器官的擴(kuò)大和分化，因此，它們可以無(wú)限擴(kuò)大?？梢詮牟煌钠鞴偕蓙?lái)自患者的健康和腫瘤類器官的生物庫(kù)，在高通量篩查中測(cè)試藥物，以便對(duì)患者的治療做出進(jìn)一步的決策（17）。

在過(guò)去的十年中，在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)使用這些3D培養(yǎng)方法生成了大量種類繁多的人類類器官。它們的應(yīng)用和潛力已經(jīng)得到了廣泛的綜述（13,17,23 - 25）。表1強(qiáng)調(diào)了在體外靜態(tài)培養(yǎng)中產(chǎn)生類器官的人體器官。然而，傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)無(wú)法最終將類器官分化為成熟的、功能完整的器官模型。類器官在形成過(guò)程中出現(xiàn)了局部形態(tài)梯度，但缺乏穩(wěn)定的血液灌流推動(dòng)的生長(zhǎng)因子、氧氣和其他功能性生化或生物物理因素的濃度梯度。因此，靜態(tài)培養(yǎng)條件限制了培養(yǎng)時(shí)間，因?yàn)椴粩嗌L(zhǎng)的類器官的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和廢物清除有限性，限制了它們的成熟度。在下文中，我們將討論如何通過(guò)引入定義的時(shí)空因素來(lái)提高類器官的成熟度。

表1 |靜態(tài)體外培養(yǎng)產(chǎn)生的人類器官概述

微流控培養(yǎng)系統(tǒng)——早期類器官形成類有機(jī)體的關(guān)鍵

類器官已被證明是模擬不同器官特異性特的有力工具。然而，如上所述，標(biāo)記物表達(dá)和功能往往在早期就停止了。我們從1912年就知道，體外培養(yǎng)的環(huán)境決定了它們的生存能力和功能（100）。驅(qū)動(dòng)類器官自組裝和分化的各向微環(huán)境因子在傳統(tǒng)培養(yǎng)條件下相當(dāng)均勻地覆蓋類器官或廣泛的表面積，阻礙了由功能驅(qū)動(dòng)的空間定向和成熟。但這些源自相互作用的組織并導(dǎo)致細(xì)胞重排的時(shí)空線索，是發(fā)育成熟器官功能的關(guān)鍵。但這些源自相互作用的組織并導(dǎo)致細(xì)胞重排的時(shí)空因子，是成熟器官功能發(fā)育的關(guān)鍵。特別是內(nèi)皮組織相互作用及其對(duì)器官發(fā)生過(guò)程中局部信號(hào)傳導(dǎo)的影響已被廣泛研究（101-103）。 例如，發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的血管化是大腦發(fā)育中至關(guān)重要的一步，確?？焖俜至训纳窠?jīng)前體細(xì)胞的氧氣和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。外周神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)結(jié)構(gòu)已被證明以明顯的與血管同步的方式發(fā)展。此外，內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)于維持產(chǎn)生小腦細(xì)胞的中樞神經(jīng)系統(tǒng)胚層的重要性也得到了證明（104）。

此外，在靜態(tài)培養(yǎng)中控制譜系規(guī)格的重組蛋白和小分子主要促進(jìn)器官內(nèi)某一特定分段細(xì)胞(實(shí)質(zhì)細(xì)胞)的發(fā)育。其他重要的譜系，如血管、神經(jīng)元或免疫譜系，大多不存在，因此旁分泌信號(hào)可能在進(jìn)一步成熟過(guò)程中變得相關(guān)。

允許早產(chǎn)兒類器官與其他器官系統(tǒng)在生理相關(guān)尺度上精細(xì)協(xié)調(diào)的系統(tǒng)性相互作用，促進(jìn)功能對(duì)齊和更高的空間分辨率的刺激。大自然的器官組建原件——上述形式描述的最小功能單位，在其多樣性中，是一個(gè)完整的人體器官。這些重復(fù)的亞單位的數(shù)量取決于相互作用的器官發(fā)出的需求信號(hào)。因此，在組織的動(dòng)態(tài)相互作用中，器官的大小、介質(zhì)流速和液體在器官中的停留時(shí)間以及液體與細(xì)胞的總體比例會(huì)自我調(diào)整。

到目前為止，已經(jīng)設(shè)計(jì)了幾種使組織模型能夠進(jìn)行系統(tǒng)性相互作用的方法——患者來(lái)源的異種移植(PDX)模型和MPS。在前一種方法中，免疫缺陷或人源化小鼠作為宿主，使主要的腫瘤模型得以移植。移植物與局部和全身環(huán)境的相互作用，也通過(guò)模型的血管化，最終允許細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)和模型的繁殖。然而，宿主機(jī)體和患者組織之間的物種差異阻礙了生物學(xué)的匹配。在使用這些方法時(shí)已經(jīng)報(bào)到了過(guò)多的缺點(diǎn)，但也有支持模型的體循環(huán)的數(shù)據(jù)。

在過(guò)去的二十年中，通過(guò)將器官模型引入MPS來(lái)改善器官模型培養(yǎng)條件已經(jīng)做出了大量的努力。利用原代和細(xì)胞系為基礎(chǔ)的模型已經(jīng)建立了MPS中的數(shù)十種人體類器官，并已進(jìn)行了非常詳細(xì)的綜述（105 - 111）。有充分的證據(jù)表明，器官功能的成熟可以通過(guò)密切模擬有關(guān)生化、物理或電刺激的器官型微環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)（106）。

一旦意識(shí)到這類系統(tǒng)的自體性質(zhì)是必要的，MPS領(lǐng)域就開(kāi)始建立芯片上的干細(xì)胞衍生模型。表2總結(jié)了該領(lǐng)域的最新成就。此外，為創(chuàng)造缺失器官的類有機(jī)體被建立起來(lái)只是時(shí)間問(wèn)題。

大量種類繁多的其他人體組織和器官模型已經(jīng)發(fā)表。然而，迄今為止，生物芯片內(nèi)穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)未能整合全身成分，如通過(guò)血管化微血管的全血供應(yīng)、個(gè)性化（自體）免疫系統(tǒng)和組織神經(jīng)支配。在這里，我們通過(guò)將每個(gè)相關(guān)器官系統(tǒng)的早期類器官整合到一個(gè)自我調(diào)節(jié)的血管化和神經(jīng)化的體循環(huán)中，擴(kuò)展了創(chuàng)建基于MPS的類有機(jī)體的理論。

我們已經(jīng)在2012年提出假設(shè)，“缺乏器官特定細(xì)胞類型之間的動(dòng)態(tài)相互作用，以及它們的血管和基質(zhì)組織床，以及缺乏用于局部再生的成體干細(xì)胞和祖細(xì)胞，是當(dāng)前“芯片上的人體"系統(tǒng)的關(guān)鍵能力缺失的原因"（5)。整個(gè)芯片上微流控通道的血管化早在2013年就報(bào)道了（132），接下來(lái)是關(guān)于生成血管化的芯片上類器官的工作（133-136）。截至今天，產(chǎn)生血管化類器官芯片的高通量平臺(tái)已經(jīng)上市（137）。這兩種技術(shù)的結(jié)合可以產(chǎn)生包含多個(gè)器官的芯片上的封閉血管化通路，從而實(shí)現(xiàn)下一個(gè)層次的生理復(fù)雜性——全血灌注或包含所有相關(guān)組成的模型。

生命體理論假設(shè)所有關(guān)鍵的全血成分——紅細(xì)胞、血小板、白細(xì)胞和血漿成分——的生成和更新是可行的，并將導(dǎo)致一個(gè)自我維持的系統(tǒng)性生命體。因此，一個(gè)穩(wěn)定的功能性芯片上的造血系統(tǒng)是必需的。已經(jīng)描述了幾種使用MPS來(lái)模擬基于人類骨髓的造血干細(xì)胞生態(tài)位的方法（8,138,139）。調(diào)整Sieber等人（138）的模型，使其包含對(duì)細(xì)胞分化和干細(xì)胞維持重要的細(xì)胞因子，使來(lái)自紅系、髓系和巨核細(xì)胞譜系的細(xì)胞能夠連續(xù)、健壯地生成和維持，同時(shí)使干細(xì)胞和祖細(xì)胞群體維持至少24天（圖3）。簡(jiǎn)而言之，骨髓芯片是按照Sieber等人的描述（138）建立的，但通過(guò)修改培養(yǎng)基以包括額外的細(xì)胞因子，如Chou等人（139)所述。細(xì)胞從循環(huán)介質(zhì)中取樣，使用細(xì)胞自旋離心機(jī)直接沉積在載玻片上，然后使用賴特染色和成像。本研究中所用細(xì)胞的供體信息詳見(jiàn)表3。

學(xué)術(shù)界MPS發(fā)展概況提供了許多其他指標(biāo)，可以使用MPS重現(xiàn)血液灌注的特定因子。Westein等人（140）已經(jīng)證明了模擬血小板誘導(dǎo)的血液凝固的能力，許多文獻(xiàn)報(bào)道了MPS中的免疫細(xì)胞循環(huán)以及它們?cè)谄鞴倌Ｐ托酒系木奂?41-143）。

一旦將基于生物體的生理全血供應(yīng)給所有芯片上的類器官，使用自體來(lái)源的干細(xì)胞衍生類器官的資產(chǎn)就變得與防止免疫系統(tǒng)對(duì)外來(lái)器官模型的排斥有關(guān)。此前發(fā)表的多器官系統(tǒng)大多由來(lái)自不同供體的組織組成，這使得作為任何人體有機(jī)體的主要防御機(jī)制的個(gè)體免疫系統(tǒng)的無(wú)排斥整合成為不可能。早在2013年，一個(gè)iPSC供體的幾種細(xì)胞的自體共培養(yǎng)的第一步就被報(bào)道了（144）。iPSC來(lái)源的類器官的早熟性提出了這樣一個(gè)問(wèn)題：如何最終分化出這些類器官，使其與各自的人類的功能相匹配。在這里，類有機(jī)體理論提出了終端芯片上分化的原則，以整合的有機(jī)體交流通訊和人為加速的關(guān)鍵器官和系統(tǒng)“訓(xùn)練計(jì)劃"為指導(dǎo)，如肝臟的外生物物質(zhì)接觸、免疫系統(tǒng)的多抗原接種或性器官加速成熟的類固醇激素人工接觸。2019年，基于生理學(xué)的4器官芯片證明了器官-器官相互作用會(huì)觸發(fā)進(jìn)一步的芯片上成熟（131），在iPSC衍生的早產(chǎn)兒肝臟模型中，白蛋白和MRP2基因的表達(dá)在14天內(nèi)顯著增加，這是由與iPSC衍生的腸、腎臟和神經(jīng)類器官的無(wú)分化因子共培養(yǎng)驅(qū)動(dòng)的（圖4）。

表2 | 以mps為基礎(chǔ)建立的模型為例，再現(xiàn)了人體關(guān)鍵器官的功能

這樣的數(shù)據(jù)支持了生物樣體理論的概念，即一旦肝臟功能匹配系統(tǒng)生物樣體的需求，就可以通過(guò)腸和通過(guò)腎臟類器官去除代謝廢物將足以維持生物體的功能內(nèi)穩(wěn)態(tài)。

人體內(nèi)大部分血漿蛋白由肝臟產(chǎn)生，其中白蛋白濃度約為40 g/L，血漿是目前為止最大的成分。此外，肝臟是毒物和外來(lái)物通過(guò)食物到達(dá)體內(nèi)的最終的守門員。最后，它在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中保持蛋白質(zhì)、碳水化合物和氨基酸代謝的穩(wěn)態(tài)。大量MPS文獻(xiàn)提供了證據(jù)，證明由原代或iPSC來(lái)源的肝細(xì)胞組成的芯片上的人類肝臟類器官能夠持續(xù)分泌白蛋白和其他蛋白質(zhì)進(jìn)入循環(huán)（119）。另一個(gè)重要的蛋白質(zhì)成分是白細(xì)胞產(chǎn)生的免疫球蛋白G組分，在人的血漿蛋白組分中達(dá)到7-16 G /L的生理水平。很少有MPS的目標(biāo)是在建模免疫組織時(shí)產(chǎn)生免疫球蛋白，但一種人工淋巴結(jié)在這里已經(jīng)取得了初步的進(jìn)展（145）。其他一些器官則向血漿中添加了關(guān)鍵的調(diào)節(jié)蛋白。胰島分泌的胰島素與肝臟相互作用，通過(guò)調(diào)節(jié)葡萄糖的消耗、儲(chǔ)存和釋放來(lái)控制身體以葡萄糖為基礎(chǔ)的能量平衡，就是這樣一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子。2017年，一種穩(wěn)定的胰島-肝臟共培養(yǎng)MPS被建立（146），證明MPS有能力從生理上管理胰島素的分泌和器官相互作用能力。關(guān)于血漿特性，將芯片上產(chǎn)生的血漿蛋白濃度提高到60-80 g/L的生理水平仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，這是一個(gè)非常重要的因素，可以利用白蛋白的生理運(yùn)輸特性，將數(shù)百種其他功能蛋白運(yùn)送到它們的作用位點(diǎn)，并為血細(xì)胞運(yùn)輸提供正確的粘度和流動(dòng)動(dòng)力學(xué)。

通過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞將器官模型與血液流動(dòng)分離是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基本前提，并將在不久的將來(lái)為該領(lǐng)域提供進(jìn)展。 通過(guò)在線傳感器密切監(jiān)測(cè)芯片上的代謝活動(dòng)，通過(guò)技術(shù)手段對(duì)血漿成分進(jìn)行初步調(diào)整，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這可能會(huì)導(dǎo)致器官模型的提前成熟。在這里，使用自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)保持對(duì)芯片培養(yǎng)物的密切觀察將成為一個(gè)組成部分（147）。

圖3 | MPS中骨髓細(xì)胞維持和分化情況。將人CD34+細(xì)胞在人間充質(zhì)干細(xì)胞種子支架上再循環(huán)HUMIMIC Chip2培養(yǎng)（A） 17天或（B) 24天，顯示分化為紅系細(xì)胞（第17天），然后是中性粒細(xì)胞（第24天）系細(xì)胞。細(xì)胞是（i）嗜堿性常母細(xì)胞，（ii）多色常母細(xì)胞，（iii）原色常母細(xì)胞，（iv）網(wǎng)織紅細(xì)胞，（v）帶細(xì)胞和（vi）中性粒細(xì)胞。比例尺?75µm。

傳感器通?？梢栽谏矬w形態(tài)理論的實(shí)施中發(fā)揮關(guān)鍵作用，將個(gè)人的數(shù)據(jù)生成擴(kuò)展到目前任何可用的范圍之外。一方面，傳感器可以是系統(tǒng)固有的。舉例來(lái)說(shuō)，類似于脈搏血氧測(cè)定，生物體血液中的氧飽和度可以通過(guò)不同血紅蛋白衍生物的不同光學(xué)光譜來(lái)測(cè)量。此外，脈搏血氧測(cè)定法還能提供有關(guān)血液搏動(dòng)特性的定性信息（148）。氧飽和度的測(cè)量可以使用小型化傳感器進(jìn)行，也可以使用高光譜成像技術(shù)進(jìn)行空間分辨。氧飽和度的測(cè)量提供了關(guān)于氧輸送能力、氧分布的重要信息，并結(jié)合微粒成像測(cè)速分析，提供了納入一個(gè)生物體的每個(gè)類器官的絕對(duì)耗氧率（149）。

圖4 |白蛋白和MDR2基因表達(dá)從第0天到第14天在由ipsc來(lái)源的早期兒腸、肝臟、腎臟和神經(jīng)類器官組成的4器官芯片中穩(wěn)步增加，這些模型整合在基于生理學(xué)的共同介質(zhì)循環(huán)中。僅通過(guò)腸吸收無(wú)分化因子的培養(yǎng)基。采用單因素方差分析+ Tukey’s多重比較檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(*p < 0.05， **p < 0.01， ***p < 0.001)。數(shù)據(jù)顯示為Mean + SD。

另一方面，傳感器可以直接嵌入到MPS中。多傳感器的集成是允許持續(xù)在線監(jiān)測(cè)器官特異性反應(yīng)和動(dòng)態(tài)組織反應(yīng)的基礎(chǔ)，用于人體健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)（150）。多傳感器集成平臺(tái)對(duì)于基于MPS的生物體體的發(fā)展尤其重要，在這種生物體中，對(duì)各種器官功能的監(jiān)測(cè)需要結(jié)合不同的傳感原理?？缟掀る娮铚y(cè)量是非侵入性技術(shù)之一，已成功集成到MPS中，以評(píng)估內(nèi)皮或上皮模型的屏障完整性和連接動(dòng)力學(xué)（151）?；陔娮杩棺V的方法通過(guò)利用擴(kuò)展的頻域數(shù)據(jù)克服了傳統(tǒng)的跨上皮電阻測(cè)量技術(shù)，因此，可以評(píng)估不同成熟階段的組織屏障功能（152）。當(dāng)與多電極陣列相結(jié)合時(shí)，基于阻抗的技術(shù)可以進(jìn)一步增強(qiáng)，從而在生物體的相關(guān)微環(huán)境中提供局部感知和電刺激。應(yīng)用包括通過(guò)對(duì)收縮活動(dòng)的直接電刺激再現(xiàn)心肌細(xì)胞或運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的神經(jīng)支配（153），以及從神經(jīng)元產(chǎn)生替代腦電圖的可能性活動(dòng)，這代表了帕金森或阿爾茨海默病建模的附加價(jià)值。

器官模型的神經(jīng)支配在其發(fā)育、成熟、調(diào)控、再生和病理過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。我們從手術(shù)中了解到，消除自主神經(jīng)元連接可能會(huì)導(dǎo)致移植物功能低下和不良的影響（154）。同樣，神經(jīng)支配在大多數(shù)器官和組織中干細(xì)胞和/或其生態(tài)位調(diào)節(jié)中的重要性也得到了充分的證明。在器官發(fā)生和再生的初始階段，自主神經(jīng)會(huì)影響組織的生長(zhǎng)，同樣，也會(huì)影響衰老或疾病的發(fā)展和進(jìn)展。到目前為止，將神經(jīng)支配引入體外模型大多被忽視，這是由于實(shí)現(xiàn)正確的引導(dǎo)和將神經(jīng)元整合到非神經(jīng)組織模型的復(fù)雜性。在過(guò)去的十年中，在靜態(tài)和MPS類器官培養(yǎng)中，已經(jīng)采取了第一步來(lái)模擬神經(jīng)模型之間的突觸連接和神經(jīng)和非神經(jīng)組織模型之間的神經(jīng)效應(yīng)器連接形成。這一領(lǐng)域的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是軸突生長(zhǎng)從神經(jīng)元到效應(yīng)組織的定向引導(dǎo)。因此，MPS的發(fā)展使干細(xì)胞來(lái)源的有髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元能夠組裝和培養(yǎng)（155,156），是實(shí)現(xiàn)MPS功能神經(jīng)支配的重要基礎(chǔ)。理解組織來(lái)源的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)引導(dǎo)因子如何驅(qū)動(dòng)軸突生長(zhǎng)并在發(fā)育過(guò)程中決定其方向?qū)⑹怯袔椭摹?/span>

干細(xì)胞來(lái)源的區(qū)域化腦類器官已被證明具有相互形成突觸神經(jīng)的內(nèi)在能力。多個(gè)研究小組已經(jīng)描述了區(qū)域化干細(xì)胞來(lái)源的皮質(zhì)類器官和大腦皮層類器官的融合，以模擬GABAergic中間神經(jīng)元從大腦皮層類器官遷移到谷氨酸興奮性、富含神經(jīng)元的皮質(zhì)類器官，在那里它們?cè)诠δ苌险系骄植颗d奮性回路（157-159）。這種內(nèi)在能力也可以被用于組裝其他區(qū)域化的腦類器官，正如干細(xì)胞來(lái)源的皮質(zhì)和丘腦類器官所顯示的那樣（159）。

Roger D. Kamm的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，干細(xì)胞來(lái)源的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元類器官可以在一個(gè)有圖案的芯片平臺(tái)上用3D骨骼肌束構(gòu)建功能性神經(jīng)肌肉連接（nmj），這增強(qiáng)了組織結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)神經(jīng)支配。在這個(gè)設(shè)置中，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元被轉(zhuǎn)導(dǎo)到光敏通道視紫紅質(zhì)-2，這使得光激活的肌肉收縮顯示了功能性神經(jīng)肌肉接頭的形成（160）。另一項(xiàng)關(guān)于干細(xì)胞來(lái)源的類腦器官的研究表明，它們可以發(fā)育出明顯的軸突束，這些軸突束在功能上被神經(jīng)支配到嚙齒動(dòng)物的脊髓外植體中，它們?cè)谀抢镆饏f(xié)調(diào)的肌肉收縮，很容易區(qū)別于局部自發(fā)收縮，并可以通過(guò)電刺激誘發(fā)（31）。神經(jīng)支配對(duì)心臟組織的成熟和功能的積極影響在（161）中得到了證明，交感神經(jīng)元的神經(jīng)支配增加了原代心肌細(xì)胞的自發(fā)搏動(dòng)率。

已經(jīng)制定了一些方案，忽略軸突生長(zhǎng)對(duì)相應(yīng)的非神經(jīng)組織類器官的復(fù)雜影響；允許在一個(gè)類器官中同時(shí)分化神經(jīng)組織和非神經(jīng)組織。這已經(jīng)在含有功能性神經(jīng)肌肉接頭和有髓鞘軸突的神經(jīng)肌肉類器官中實(shí)現(xiàn)了，在許旺末端細(xì)胞和肌肉部分收縮活動(dòng)的存在下，收縮活動(dòng)在乙酰膽堿受體堵塞時(shí)停止（162）。前腦和視神經(jīng)囊泡的結(jié)合也實(shí)現(xiàn)了這種器官間球體，其中雙側(cè)光敏視神經(jīng)囊泡發(fā)育在前腦類器官的表面，并形成電活性的原始感覺(jué)回路（62）。

體外組織神經(jīng)支配領(lǐng)域的下一個(gè)重大進(jìn)展將是建立一個(gè)封閉的神經(jīng)元回路模型，其中感覺(jué)器(如視杯類器官)和效應(yīng)器(如肌纖維)通過(guò)皮質(zhì)模型相互連接，并通過(guò)Schwann細(xì)胞或少突膠質(zhì)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突的髓鞘化（156,163）。另一種有前景的方法是結(jié)合芯片上的血管化和神經(jīng)支配。在體內(nèi)，周圍神經(jīng)沿著血管生長(zhǎng)。我們假設(shè)，一旦建立了封閉的血管系統(tǒng)，這種神經(jīng)支配途徑也將成為相關(guān)的芯片。(116）展示了血管化和神經(jīng)連接的優(yōu)勢(shì)，他們證明了血管-神經(jīng)相互作用導(dǎo)致更像活體的基因表達(dá)特征，并增加含有干細(xì)胞來(lái)源的大腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的MPS中的鈣瞬變。除了（運(yùn)動(dòng)）神經(jīng)元對(duì)生理組織神經(jīng)支配的積極作用，外周神經(jīng)系統(tǒng)的建模對(duì)于神經(jīng)退行性疾病(如肌性側(cè)索硬化癥)領(lǐng)域也有興趣。體外（MPS）模型有可能成為研究化合物對(duì)神經(jīng)肌肉接頭藥理作用的重要基石。這個(gè)方向的第一步是最近在Mimetas OrganoPlate上發(fā)表的（164），該平臺(tái)培養(yǎng)了40個(gè)帶有iPSC衍生的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的微芯片。后者表現(xiàn)出明顯的軸突生長(zhǎng)，可以與肌肉組織耦合形成神經(jīng)肌肉接頭。

關(guān)于機(jī)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的另一個(gè)關(guān)鍵方面是自主神經(jīng)支配與免疫系統(tǒng)的相互作用。以消化道為例，腸道免疫系統(tǒng)影響局部腸神經(jīng)系統(tǒng)、交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)的外源性神經(jīng)元，并最終影響大腦功能，如情緒、認(rèn)知和心理健康。相反，大腦可以通過(guò)腸道膽堿能抗炎通路，通過(guò)迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)腸道的免疫功能（165）。初級(jí)淋巴器官(如骨髓)和次級(jí)淋巴器官(如脾臟)的神經(jīng)支配已得到充分研究，神經(jīng)系統(tǒng)在這些小生境中影響免疫穩(wěn)態(tài)和炎癥的能力已被證明（166）。

在芯片上模擬系統(tǒng)有機(jī)體通路的另一個(gè)重要方面包括整合相關(guān)供體特異性微生物群，以模擬患者與各自代謝物的總體相互作用（167-169）。

看來(lái)，神經(jīng)支配、血管化、淋巴管、微生物群和膽汁產(chǎn)物的腸-肝臟循環(huán)模擬是滿足多器官M(fèi)PS中類器官的簡(jiǎn)單物理結(jié)合和生物體中真正的組織相互作用和穩(wěn)態(tài)之間的鴻溝先決條件。

后者需要至少10個(gè)人類系統(tǒng)（如引言中強(qiáng)調(diào)的那樣）的主要類器官的串聯(lián)組合，以及它們通過(guò)血管系統(tǒng)、神經(jīng)支配和淋巴管的生物互聯(lián)。關(guān)于建立包含至少10個(gè)技術(shù)上可相互連接的器官培養(yǎng)區(qū)隔的MPS的兩項(xiàng)早期嘗試已經(jīng)發(fā)表。這些主要的例子包括康奈爾大學(xué)舒勒實(shí)驗(yàn)室（Shuler Lab）的13個(gè)器官培養(yǎng)系統(tǒng)（170個(gè)）和麻省理工學(xué)院格里菲斯實(shí)驗(yàn)室的10個(gè)器官培養(yǎng)PhysioMimix系統(tǒng)（171）。這兩種系統(tǒng)都已成功地在培養(yǎng)室中使用生物材料運(yùn)行了7天或更長(zhǎng)時(shí)間。然而，兩者都缺乏生物血管互連、淋巴管和器官神經(jīng)支配。

生物體可能會(huì)傳遞什么給我們的醫(yī)療系統(tǒng)

根據(jù)有機(jī)體模型理論，有機(jī)體模型是活體人體在體外的生物復(fù)制品，只是盡可能縮小了規(guī)模。它們是由系統(tǒng)創(chuàng)造的整合：生理學(xué)上把人體主要器官的功能單位整合成一個(gè)有機(jī)的、自我維持的模板，反映人體的系統(tǒng)組織干細(xì)胞衍生器官等價(jià)物在芯片上的快速分化，源于它們之間的相互串?dāng)_和生理上的相互依賴。規(guī)模的縮小，是由于產(chǎn)生個(gè)體的生物體樣體的大量重復(fù)的目標(biāo)。大量這種相同的、微小的、無(wú)腦的、無(wú)情緒的生理體外有機(jī)體的成熟可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持自我維持的功能性健康內(nèi)穩(wěn)態(tài)。它們?nèi)菀资艿礁蓴_，導(dǎo)致自然或人為地誘發(fā)疾病?；疾〉纳矬w被假設(shè)以精確地模擬各自病人疾病的病理生理學(xué)。反過(guò)來(lái)，這可能使預(yù)測(cè)性的患者特異性有機(jī)體樣研究的表現(xiàn)，以確定的個(gè)性化治療患者有關(guān)。類似于對(duì)患者隊(duì)列的臨床研究，然后可以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證的預(yù)測(cè)，其優(yōu)勢(shì)是可以在生理和病理生理?xiàng)l件下比較基因相同的患者有機(jī)體樣體重復(fù)。由此可以推導(dǎo)出兩種主要的使用場(chǎng)景。一種是與現(xiàn)實(shí)世界中個(gè)體患者個(gè)人治療的前沿改進(jìn)有關(guān);另一種則有可能在臨床試驗(yàn)層面改變藥物開(kāi)發(fā)范式，節(jié)省大量時(shí)間和資本支出。

關(guān)于第一種方案，生物體模型可以用于預(yù)測(cè)地選擇、安排和給藥，根據(jù)患者的疾病進(jìn)展準(zhǔn)確地選擇個(gè)性化治療或藥物。通過(guò)早期發(fā)現(xiàn)不成功的治療方案，這可以顯著降低對(duì)每個(gè)患者的潛在風(fēng)險(xiǎn)。圖5更詳細(xì)地總結(jié)了將有機(jī)體應(yīng)用于個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療的優(yōu)勢(shì)。該圖說(shuō)明了有機(jī)體體方法的概念和原理，以選擇您的個(gè)性化疾病應(yīng)用的精準(zhǔn)醫(yī)療。作為一個(gè)假設(shè)的例子，癌癥被選擇為疾病。

你的生命周期可能最終包括危及生命的疾病時(shí)期，例如，癌癥生長(zhǎng)（上：藍(lán)色邊框的箭頭）。從你的健康細(xì)胞中建立一個(gè)多能干細(xì)胞庫(kù)。隨后，在幾個(gè)月內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生大量相同的健康生物體（黃色三角形）。目前有各種治療癌癥的選擇，因此，相關(guān)的試驗(yàn)組被創(chuàng)建，包括安慰劑治療、其他治療組和健康恢復(fù)對(duì)照組（在黑邊箭頭中）。在這個(gè)假設(shè)的例子中，在幾周內(nèi)，CAR-T細(xì)胞療法與檢查點(diǎn)抑制劑相結(jié)合，會(huì)被證明是你最快的治愈方法。因此，這種療法立即得到了成功的應(yīng)用。

根據(jù)生物體形態(tài)理論，一個(gè)人的干細(xì)胞庫(kù)可以在健康時(shí)創(chuàng)建，也可以在疾病發(fā)生時(shí)從健康的器官中創(chuàng)建。預(yù)防性干細(xì)胞庫(kù)(例如，從臍帶血中提取)已經(jīng)在使用中，并將成為未來(lái)的選擇，因?yàn)檫@需要時(shí)間。接近人類的理論提供了精確的試驗(yàn)結(jié)果，這是動(dòng)物試驗(yàn)在患者來(lái)源的異種移植模型或人類患者來(lái)源的類器官無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。異種移植模型在系統(tǒng)發(fā)育上是遙遠(yuǎn)的，因此不能提供足夠的腫瘤生長(zhǎng)。此外，它們沒(méi)有疫背景來(lái)對(duì)抗癌癥。病人來(lái)源的類器官也沒(méi)有嵌入到病人的免疫系統(tǒng)中，缺乏與有機(jī)體的系統(tǒng)性互動(dòng)。

對(duì)于第二種情況，數(shù)十年來(lái)，候選藥物進(jìn)入臨床試驗(yàn)成為獲批藥物的平均成功率一直低于20%；這種將任何原型轉(zhuǎn)化為上市產(chǎn)品的低效率，其他任何行業(yè)都承受不起。使用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的候選藥物的臨床前安全性和療效評(píng)估程序的預(yù)測(cè)性差是造成這種低效率的主要原因。其后果是平均13.5年的漫長(zhǎng)臨床試驗(yàn)，以及一種新藥獲得批準(zhǔn)所需的累計(jì)成本高達(dá)25億美元（106）。與此同時(shí)，在過(guò)去30年里，一場(chǎng)基于生物學(xué)的治療策略革命出現(xiàn)了——利用人體自身的工具來(lái)對(duì)抗疾病。近年來(lái)，藥物的生物復(fù)雜性不斷擴(kuò)大，從人工合成的小分子藥物，到人類單克隆抗體蛋白，最后是針對(duì)患者的自體細(xì)胞療法，極大地增加了患者治愈的機(jī)會(huì)。然而，這一趨勢(shì)同樣顯著地降低了通過(guò)應(yīng)用臨床前的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)這類療法的安全性和有效性的機(jī)會(huì)，原因是這類先進(jìn)治療藥物的人類起源越來(lái)越多（172）。此外，在過(guò)去的幾年里，沿著這種不斷上升的生物梯度的藥物定價(jià)已經(jīng)成為阻礙所有患者獲得這種療法的社會(huì)公平的主要障礙。在這一趨勢(shì)開(kāi)始的時(shí)候，一種生物藥物的平均日劑量的價(jià)格是小分子藥物的22倍，占幾十美元（173）。然而，類蛋白質(zhì)生物制劑中單克隆抗體在2017年達(dá)到了患者治療過(guò)程的年平均價(jià)格約為9.6萬(wàn)美元（174），相當(dāng)于每天約263美元。如今，先進(jìn)細(xì)胞療法中的創(chuàng)新——高效的自體CAR-T細(xì)胞療法——在德國(guó)的價(jià)格，例如，考慮到“在"結(jié)果（175）付款，患者治療的價(jià)格高達(dá)32萬(wàn)歐元。這種療法是一天輸注一次。藥物的療效與患者獲得藥物的經(jīng)濟(jì)能力之間日益增長(zhǎng)的失衡，已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)我們的醫(yī)療保健系統(tǒng)的一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)沖突。

有機(jī)體有可能通過(guò)改變藥物開(kāi)發(fā)的模式來(lái)打破這種成本螺旋上升。2016年，MPS相關(guān)報(bào)告已經(jīng)預(yù)計(jì)，一旦基于MPS的類似于生物體的臨床試驗(yàn)研究能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)任何新藥物或療法的療效、安全性、劑量和時(shí)間安排，在用于人類試驗(yàn)和替代動(dòng)物試驗(yàn)以及1、2期臨床試驗(yàn)之前，累積藥物開(kāi)發(fā)成本將降低5倍，藥物開(kāi)發(fā)時(shí)間將減少一半。

2018年，毒理學(xué)研究領(lǐng)導(dǎo)人論壇（10）草擬了一份高級(jí)路線圖，以確定“臨床試驗(yàn)"預(yù)測(cè)精度（圖6），在與臨床試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的芯片研究中運(yùn)行精細(xì)的個(gè)性化的“人體"等效物（有機(jī)體）。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，套健康的和代表患者疾病狀態(tài)和健康內(nèi)穩(wěn)態(tài)的有機(jī)體樣體將允許一個(gè)人進(jìn)行基于臨床前系列藥物和先進(jìn)的有機(jī)體樣體測(cè)試。

圖5 |說(shuō)明有機(jī)體理論如何應(yīng)用于個(gè)性化醫(yī)療的假設(shè)例子。

圖6 |在芯片上潛在的“臨床試驗(yàn)"背景下的“人體"等效物（10）。 

圖7 |一個(gè)假設(shè)的例子，說(shuō)明有機(jī)體理論如何可以用來(lái)模擬臨床試驗(yàn)。

健康的內(nèi)穩(wěn)態(tài)將允許一個(gè)人在大型試驗(yàn)特定患者中模擬臨床試驗(yàn)的環(huán)境中進(jìn)行基于有機(jī)體的藥物和先進(jìn)療法的臨床前系列試驗(yàn)。與患者隊(duì)列試驗(yàn)相比，以有機(jī)體為基礎(chǔ)的試驗(yàn)具有許多關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)。圖7詳細(xì)說(shuō)明了這些優(yōu)勢(shì)，并舉例說(shuō)明了利用基于有機(jī)體的試驗(yàn)?zāi)M一種假想的新型鈉-葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體2（SGLT2）抑制劑治療2型糖尿病的臨床試驗(yàn)。

根據(jù)與臨床試驗(yàn)招募相同的標(biāo)準(zhǔn)，從全球干細(xì)胞庫(kù)中收集代表相關(guān)糖尿病患者隊(duì)列的4名捐贈(zèng)者的干細(xì)胞樣本。從這4個(gè)供體小瓶中每個(gè)小瓶生產(chǎn)出相關(guān)數(shù)量的健康生物樣體。藍(lán)色、棕色、黃色和綠色表示每個(gè)個(gè)體的供體背景。隨后，遵循生物樣體理論的原則，例如通過(guò)高糖飲食產(chǎn)生糖尿病生物樣體。為了評(píng)估一種新的SGLT2抑制劑治療，進(jìn)行了3個(gè)月的試驗(yàn)，包括6個(gè)組，每個(gè)組12個(gè)有機(jī)體樣體（每個(gè)組和供體3個(gè)生物重復(fù)），并每天口服相應(yīng)的藥物。對(duì)照組包括健康恢復(fù)組（1）和患病未經(jīng)治療的安慰劑組（2），分別提供治愈（綠色基線）和疾病狀態(tài)無(wú)變化（紅色基線）的讀數(shù)。此外，三種新的SGLT2抑制劑的劑量降低了10萬(wàn)倍。由于與人體相比，生物體的大小相對(duì)較小，因此患者的劑量比預(yù)期的要低。臂（3）、臂（4）和臂（5）的讀數(shù)說(shuō)明了新的單藥療法在分別對(duì)應(yīng)于每天和患者的25 mg（黃色方塊）、15 mg（黃色三角形）和5 mg（黃色圓圈）的劑量下，將疾病狀態(tài)從基線改變?yōu)橹斡臐摿?。假設(shè)使用二甲雙胍（藍(lán)色圓圈）治療的標(biāo)準(zhǔn)單藥治療組提供了當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的護(hù)理參考數(shù)據(jù)。在這個(gè)假設(shè)的例子中，臂（2）產(chǎn)生了最有利的治療結(jié)果。

優(yōu)勢(shì)是，在藥物開(kāi)發(fā)歷史，基于芯片的有機(jī)體試驗(yàn)將包括患者身體和同一個(gè)體健康身體狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)的人體自體生物重復(fù)。由于缺乏對(duì)單個(gè)患者的任何生物重復(fù)，以及對(duì)他們?cè)诮】祪?nèi)穩(wěn)態(tài)下的個(gè)體生物狀態(tài)的了解，臨床試驗(yàn)傳統(tǒng)上需要大量的患者隊(duì)列。因此，試驗(yàn)被分為1、2和3期，不幸的是，只能近似一個(gè)患者個(gè)體的病理生物學(xué)和他們的治愈恢復(fù)狀態(tài)。這兩個(gè)方面使得傳統(tǒng)的臨床試驗(yàn)過(guò)程成為一種漫長(zhǎng)的、成本高得令人難以置信的、低效的藥物和先進(jìn)療法的開(kāi)發(fā)方式。在含有健康和患病生物體的芯片上進(jìn)行“臨床試驗(yàn)"，消除了這兩個(gè)障礙。一方面，它們?cè)试S近親繁殖的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物試驗(yàn)的一致性由于基因而得到匹配，每個(gè)試驗(yàn)“參與者"在個(gè)體有機(jī)體水平上的身份，但其背景是人類。另一方面，各種不同個(gè)體的生物樣體的使用反映了臨床試驗(yàn)中患者隊(duì)列的異質(zhì)性，但具有每個(gè)個(gè)體患者的生物樣體在統(tǒng)計(jì)上相關(guān)的生物重復(fù)的優(yōu)勢(shì)。

有機(jī)體體方法的另一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是，在進(jìn)行此類試驗(yàn)時(shí)，其獨(dú)立性不受患者招募和醫(yī)院使用的影響。鑒于大型PSC庫(kù)的存在反映了基因傾向、性別和與試驗(yàn)相關(guān)的其他類別，基于有機(jī)體模型的試驗(yàn)可以在世界任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行。關(guān)于上面的假設(shè)例子，根據(jù)糖尿病易感性選擇供體，比較遺傳祖先和平等的性別分布可能是有趣的干細(xì)胞瓶選擇策略。

第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)規(guī)模的靈活性。理論上可以產(chǎn)生的患病生物體（通常被稱為芯片上的“病人"）的數(shù)量是無(wú)限的。這使得藥代動(dòng)力學(xué)方面的整合，在同一個(gè)基于有機(jī)體的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)或生物實(shí)體的有效劑量和綜合安全性和有效性評(píng)估成為可能。目前在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物、健康志愿者和患者的單獨(dú)臨床前和臨床試驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如毒性特征、未觀察到的副作用水平、吸收和排泄率、代謝物形成、發(fā)現(xiàn)有效劑量、持續(xù)時(shí)間和新藥物的時(shí)間安排，可以從一項(xiàng)基于生物體的試驗(yàn)中得到。例如，我們治療2型糖尿病的假設(shè)案例研究可以很容易地?cái)U(kuò)展到更大的劑量范圍，并將每天兩次劑量的單一口服（這在生物樣體中指的是根尖腸的任何給藥）進(jìn)行比較。這將包括對(duì)療效進(jìn)行劑量依賴的評(píng)估，同時(shí)觀察尿路或生殖道感染的發(fā)生和嚴(yán)重程度，以及的SGLT2抑制劑的副作用。在各自的患者隊(duì)列中，候選藥物使用的治療窗口的定義來(lái)源于這樣一項(xiàng)一體化試驗(yàn)，該試驗(yàn)仍處于臨床前候選藥物開(kāi)發(fā)階段。

關(guān)于這兩種使用場(chǎng)景，我們?cè)O(shè)想有機(jī)體將對(duì)從個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)收集的醫(yī)療現(xiàn)實(shí)世界大數(shù)據(jù)做出重大貢獻(xiàn)。這是因?yàn)樗軌蛟诿總€(gè)患者第一次疾病發(fā)作（例如，腫瘤生長(zhǎng)、病毒復(fù)制）的確定位置生成關(guān)于微環(huán)境破壞的可復(fù)制數(shù)據(jù)。有機(jī)體和硅芯片的結(jié)合將進(jìn)一步提高對(duì)大量患者群體進(jìn)行精確藥物治療的預(yù)測(cè)能力，并進(jìn)一步降低成本。

在人們的心目中，復(fù)雜的體外細(xì)胞培養(yǎng)工作通常與高昂的成本聯(lián)系在一起。有人可能會(huì)猜測(cè)，在試驗(yàn)中產(chǎn)生和處理數(shù)千個(gè)生物體需要天文數(shù)字的預(yù)算，因?yàn)槟壳翱捎玫腗PS在一次性芯片和操作上都很昂貴。在這里，有機(jī)體的性質(zhì)反映了一種自我可持續(xù)的人體和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)開(kāi)始發(fā)揮作用。在現(xiàn)實(shí)世界中，一個(gè)處于休息狀態(tài)的人體，每天的蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪供應(yīng)約2000千卡就可以維持。在世界上一些較貧窮的地區(qū)，人均幾美元就可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。因此，每天喂養(yǎng)10萬(wàn)只生物體的成本也可以達(dá)到相同的水平。維持這些生物體的可消耗芯片的價(jià)格也預(yù)計(jì)將下降到1美元的范圍，這在計(jì)算機(jī)芯片和人類基因組測(cè)序成本方面已經(jīng)有過(guò)先例。

生物機(jī)體能夠?yàn)槊恳晃换颊叽_定最合適的藥物，并大幅節(jié)約成本和改變藥物開(kāi)發(fā)，這種能力的社會(huì)經(jīng)濟(jì)維度被認(rèn)為是巨大的。這同樣適用于倫理層面?；贛PS的類有機(jī)體有可能取代大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物試驗(yàn)和在人類志愿者身上進(jìn)行的第一和第二階段臨床試驗(yàn)。它們將減少三期臨床試驗(yàn)患者的多種數(shù)量。所有這些都將對(duì)全球范圍內(nèi)的患者利益和動(dòng)物福利產(chǎn)生根本性的積極影響。

患者類有機(jī)體體和芯片上病人特異性T細(xì)胞療法——一個(gè)挑戰(zhàn)這一理論的方案

先進(jìn)的細(xì)胞療法，如自體嵌合抗原受體（CAR） T細(xì)胞療法KymriahTM 和YescartaTM，最近已經(jīng)證明了它們治愈以前的耐藥腫瘤患者的潛力（176,177）。除了這兩種在2017年被批準(zhǔn)用于治療血液腫瘤的CART細(xì)胞產(chǎn)品外，其他幾種CAR-T細(xì)胞產(chǎn)品最近也被批準(zhǔn)。許多新的細(xì)胞治療方法正在醞釀中，使用CAR或轉(zhuǎn)基因T細(xì)胞受體對(duì)抗各種各樣的腫瘤、感染和自侵略性免疫細(xì)胞，或者使用調(diào)節(jié)性T細(xì)胞在顯性的不良免疫反應(yīng)中恢復(fù)免疫平衡（178）。到2020年底，全球注冊(cè)了超過(guò)1000項(xiàng)使用免疫細(xì)胞產(chǎn)品的臨床試驗(yàn)（179）。

在這些醫(yī)療需求未得到滿足的領(lǐng)域，這種療效以標(biāo)準(zhǔn)安全測(cè)試程序（180）為代價(jià)，增加了監(jiān)管機(jī)構(gòu)的接受度，該程序需要在治療批準(zhǔn)后的患者隨訪研究中進(jìn)行回顧性研究。這符合這樣一個(gè)事實(shí)，即由于患者與患者的系統(tǒng)發(fā)育距離、各自的基因型差異和免疫不匹配，患者對(duì)個(gè)性化細(xì)胞治療的反應(yīng)無(wú)法在臨床前的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物模型中模擬。同樣，在傳統(tǒng)的患者來(lái)源的類器官培養(yǎng)中，患者的反應(yīng)也無(wú)法預(yù)測(cè)，因?yàn)樗鼈儧](méi)有融入到一個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)體安排中。除其他外，模擬t細(xì)胞輸注到目標(biāo)部位的靜脈輸送及其與其他主要器官部位的相互作用，都缺失了模擬T細(xì)胞療法及其療效（患者衍生類器官的精確度）的關(guān)鍵因素。 如前所述，這里的有機(jī)體理論提供了一種克服任何其他障礙的替代解決方案。

什么是有機(jī)體不能也不應(yīng)該做的

根據(jù)有機(jī)體理論，有機(jī)體不能也不應(yīng)該模仿人類個(gè)體社會(huì)起源的主要部分——同理心或意識(shí)（分別是靈魂或思想）。因此，它不能模擬病人的精神疾病。300g的人類心肌或髖部骨折的功能障礙及其愈合依賴于生物物理特性，由于規(guī)模和所涉及的物理不匹配，其中一些無(wú)法在生物類體上表征。

倫理考量對(duì)人類社會(huì)至關(guān)重要，也是人性的基礎(chǔ)。有機(jī)體理論，由于其性質(zhì)，引入了一些必須考慮倫理的觀點(diǎn)。將人類胚胎發(fā)育到幾厘米大小是最關(guān)鍵的問(wèn)題之一。在人工環(huán)境下（如體外培養(yǎng)），人類卵子的受精及其隨后的胚胎發(fā)育在世界上許多地方都是被禁止的。生物體理論的作者想要強(qiáng)調(diào)的是，他們的倫理范式超越了這一點(diǎn)。人們不應(yīng)該使用有機(jī)體形態(tài)理論的概念和原則來(lái)創(chuàng)造人類或雜交胚胎，并進(jìn)一步發(fā)展和區(qū)分人類或雜交組織。應(yīng)該使用其他方法來(lái)規(guī)避個(gè)體發(fā)生的這一部分。個(gè)人同意捐獻(xiàn)組織來(lái)創(chuàng)造生物體可能是一個(gè)很好的工具，以防止在早期階段的濫用。

結(jié)論

這里提出的生物體樣體理論聲稱，有能力在體外人工重現(xiàn)個(gè)體身體的個(gè)體發(fā)生，從捐贈(zèng)者的干細(xì)胞開(kāi)始，產(chǎn)生一定數(shù)量的相同的健康成熟的小型化身體等量物，因此被稱為生物體樣體。該理論進(jìn)一步聲稱，這種供體特定的相同生物體樣體反映了該個(gè)體健康成年期的某個(gè)階段，可以用來(lái)模擬該供體在其生命周期的某一特定時(shí)間內(nèi)相關(guān)的疾病和康復(fù)階段。以個(gè)性化的患病生物體樣方法對(duì)個(gè)體的疾病進(jìn)行建模，將提供一個(gè)尚未滿足的患者病理生物學(xué)的現(xiàn)實(shí)水平，因此，提供一個(gè)的工具，以精確選擇正確的藥物、治療計(jì)劃和劑量來(lái)治愈（患?。﹤€(gè)體。

大自然的遺傳和微環(huán)境原則編碼了人體器官最小功能單元的自組織和維護(hù)，并將它們整合到一個(gè)交流通訊和高效互動(dòng)的血液系統(tǒng)中，灌注和神經(jīng)器官是在芯片上創(chuàng)造生物體的藍(lán)圖。我們?cè)O(shè)想它們將成為下一個(gè)層次的人類生物學(xué)模擬，提供與人類相對(duì)應(yīng)的最佳可能的近似。在體外實(shí)驗(yàn)中，類有機(jī)體organismoids將有機(jī)地遵循人類的多個(gè)類器官串聯(lián)，近年來(lái)，這已被證明能夠在小型化的規(guī)模上模擬單個(gè)組織和器官的不同功能。利用已從類器官學(xué)習(xí)到的東西，類器官將通過(guò)一個(gè)小型化的基于生理的血管和毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)在芯片上生成的全血的系統(tǒng)神經(jīng)支配和供應(yīng)，以每個(gè)器官的功能單元。通過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞層將每個(gè)類器官?gòu)墓餐难褐芯植糠蛛x，將使不同人體器官功能單元的精確拷貝在芯片上實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的器官特異性、遺傳編碼和微環(huán)境驅(qū)動(dòng)的自我組裝。反過(guò)來(lái)，這將使成熟的類器官在生理上產(chǎn)生交流，從而導(dǎo)致有機(jī)芯片上的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。一旦建立，生物體將只需要每天用消化的食物等量進(jìn)食，就可以模擬芯片上的長(zhǎng)期、所謂的自我維持的身體功能。

我們已經(jīng)說(shuō)明，類器官體外培養(yǎng)技術(shù)和過(guò)去10年生產(chǎn)的單器官芯片為體外類器官的培養(yǎng)提供了大量數(shù)據(jù)。此外，人類iPSC衍生的多器官串聯(lián)芯片提供了芯片上加速人工器官個(gè)體發(fā)生的第一個(gè)成果。最后，越來(lái)越多的關(guān)于人類疾病建模和人體組織芯片治療測(cè)試的科學(xué)文獻(xiàn)指出，當(dāng)MPS上功能性地建立多器官串聯(lián)芯片以及人體芯片時(shí)，這種微生理平臺(tái)就有能力精確模擬疾病的病理生物學(xué)和藥物或治療的作用模式。進(jìn)一步發(fā)展器官芯片的主要挑戰(zhàn)是神經(jīng)支配和類器官毛細(xì)血管化的實(shí)現(xiàn)，這也需要細(xì)胞，特別是免疫細(xì)胞遷移到組織中。

類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)--- HUMIMIC

多器官串聯(lián)培養(yǎng)，在沒(méi)病人的情況下測(cè)試病人

類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)包括控制單元和芯片，控制單元能夠模擬人體內(nèi)生理環(huán)境，包括溫度、壓力、真空度、微流道循環(huán)頻率、時(shí)間等參數(shù)，芯片有不同的微流道設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的器官可以單獨(dú)設(shè)置提供相應(yīng)的培養(yǎng)條件，提供精準(zhǔn)的培養(yǎng)和分化環(huán)境。類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)可提供不同類器官的串聯(lián)共培養(yǎng)方案，避免單一類器官無(wú)法模擬人體復(fù)雜生理學(xué)條件下器官相互通訊交流的不足。通過(guò)類器官模擬人類器官組織的生理發(fā)育過(guò)程，應(yīng)用于疾病模型、腫瘤發(fā)生、以及藥物安全性、有效性、毒性、ADME等方面的評(píng)估，旨在減少和取代實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物測(cè)試，簡(jiǎn)化人體臨床試驗(yàn)。

為獲取更高相關(guān)與準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，我們開(kāi)發(fā)了人體器官模型的自動(dòng)芯片測(cè)試：

配備具有指示相關(guān)性的器官模型的芯片，以能夠在接觸生物體之前檢測(cè)其安全性和有效性；

最終為芯片配備患者自身相關(guān)病變器官的亞基，以評(píng)估整個(gè)個(gè)性化治療的效果；

人體生理反應(yīng)往往涉及更多介質(zhì)循環(huán)和不同組織間相互作用，多器官芯片才能全面反映出機(jī)體器官功能的復(fù)雜性、完整性以及功能變化，一個(gè)相互作用的系統(tǒng)才能更好的模擬整個(gè)系統(tǒng)中器官和組織的不同功能。德國(guó)TissUse公司可提供不同類器官的串聯(lián)培養(yǎng)解決方案，避免單一類器官無(wú)法模擬人體復(fù)雜生理學(xué)條件下器官相互通訊交流的不足。把多種不同器官和組織培養(yǎng)在芯片上，然后通過(guò)微通道連接起來(lái)，集成一個(gè)相互作用的系統(tǒng)，從而模擬人體中的不同功能器官的交流通訊和互相作用。

TissUse專有的商用MOC技術(shù)支持的器官培養(yǎng)物的數(shù)量范圍從單個(gè)器官培養(yǎng)到支持復(fù)雜器官相互作用研究的器官數(shù)量，包括單器官、二器官、三器官和四器官培養(yǎng)的商業(yè)化的平臺(tái)。成功的案例包括：肝臟、腸、皮膚、血管系統(tǒng)、神經(jīng)組織、心臟組織、軟骨、胰腺、腎臟、毛囊、肺組織、脂肪組織、腫瘤模型和骨髓以及各自的多器官串聯(lián)組合方案。

德國(guó)TissUse公司專注于類器官培養(yǎng)系統(tǒng)研究22年，推出的HUMIMIC類器官串聯(lián)芯片培養(yǎng)系統(tǒng)，得到FDA的推薦，可提供不同類器官的串聯(lián)培養(yǎng)解決方案，避免單一類器官培養(yǎng)無(wú)法模擬人體器官相互通訊關(guān)聯(lián)的缺陷，同時(shí)也提供相關(guān)的技術(shù)方案和后續(xù)方法試劑支持，屬于國(guó)際上少有的“Multi-Organ-Chip" 和“Human-on-a-chip"的方案提供者。相關(guān)方案已被廣泛應(yīng)用于藥物開(kāi)發(fā)、化妝品、食品與營(yíng)養(yǎng)和消費(fèi)產(chǎn)品等多個(gè)領(lǐng)域.

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