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，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，將多個(gè)類器官串聯(lián)起來培養(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，即通過體外的自我組裝的過程，模仿個(gè)體從卵細(xì)胞到性成熟的發(fā)生過程，培養(yǎng)出的——微小的、無思維、無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，使其能在體外長時(shí)間維持正常功能，以及通過自然或人工誘發(fā)疾病干擾類有機(jī)體來模擬個(gè)體疾病過程。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)體來代替病人，測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)相對穩(wěn)定的階段。隨著身體年齡的增長，這個(gè)成年期會(huì)被不斷延長的生病和康復(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)體可以通過持續(xù)幾個(gè)月的體外培養(yǎng)（黃色）來建立。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-長期）的階段。然后，這些可以用來模擬急性、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，即將多個(gè)類器官（比體內(nèi)縮小10萬倍）串聯(lián)起來培養(yǎng)。我們舉例說明了人體主要器官的功能單位，并簡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、無思維、無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，如芯片上的人體，芯片上的身體，或通用的生理模板，在過去已經(jīng)被用于代表有機(jī)體。在MPS領(lǐng)域中已經(jīng)使用過這個(gè)概念，通過培養(yǎng)10個(gè)人的主要器官的等效物（類器官）來實(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）?？梢杂脕砟M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程的概念遵循以下原則：（一）通過自然疾病過程或通過來自病人的病原體或病變組織的傳播在生物體中誘發(fā)疾??；（ii）通過對同一個(gè)患者來源的健康和病變類有機(jī)體進(jìn)行相同數(shù)量的試驗(yàn)來模擬對大量患者進(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，我們帶你通過類有機(jī)體理論的概念和原則，用實(shí)際結(jié)果闡述它對我們的醫(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)胞和患者來源的類器官教會(huì)了我們什么?

一個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直對導(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)的測試系統(tǒng)，他們的研究僅限于經(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自組織產(chǎn)生。它們在藥物發(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。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)是來源于動(dòng)物的，沒有明確的指標(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）的分化過程取決于許多不同的因素，如生長因子、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)一步的生長因子混合物被用來誘導(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)半年或更長時(shí)間，如皮膚類器官（18）或腦類器官（19）。

患者特異性的PSC來源類器官是通過將體細(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)了長達(dá)2年以上，且沒有傳代（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，可以長期培養(yǎng)和擴(kuò)張。不同的生長因子組合被用于類器官的擴(kuò)大和分化，因此，它們可以無限擴(kuò)大。可以從不同的器官生成來自患者的健康和腫瘤類器官的生物庫，在高通量篩查中測試藥物，以便對患者的治療做出進(jìn)一步的決策（17）。

在過去的十年中，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的類器官的營養(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引入定義的時(shí)空因素來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器官發(fā)生過程中局部信號(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，也通過模型的血管化，最終允許細(xì)胞的營養(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)到了過多的缺點(diǎn)，但也有支持模型的體循環(huán)的數(shù)據(jù)。

在過去的二十年中，通過將器官模型引入MPS來改善器官模型培養(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密切模擬有關(guān)生化、物理或電刺激的器官型微環(huán)境來實(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)體被建立起來只是時(shí)間問題。

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，使其包含對細(xì)胞分化和干細(xì)胞維持重要的細(xì)胞因子，使來自紅系、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）。簡而言之，骨髓芯片是按照Sieber等人的描述（138）建立的，但通過修改培養(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)以及它們在器官模型芯片上的聚集（141-143）。

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)對外來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來源的類器官的早熟性提出了這樣一個(gè)問題：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，就可以通過腸和通過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，肝臟是毒物和外來物通過食物到達(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，通過調(diào)節(jié)葡萄糖的消耗、儲(chǔ)存和釋放來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，并將在不久的將來為該領(lǐng)域提供進(jìn)展。 通過在線傳感器密切監(jiān)測芯片上的代謝活動(dòng)，通過技術(shù)手段對血漿成分進(jìn)行初步調(diào)整，從長遠(yuǎn)來看，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)來保持對芯片培養(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。舉例來說，類似于脈搏血氧測定，生物體血液中的氧飽和度可以通過不同血紅蛋白衍生物的不同光學(xué)光譜來測量。此外，脈搏血氧測定法還能提供有關(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)合微粒成像測速分析，提供了納入一個(gè)生物體的每個(gè)類器官的絕對耗氧率（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。僅通過腸吸收無分化因子的培養(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)測的技術(shù)（150）。多傳感器集成平臺(tái)對于基于MPS的生物體體的發(fā)展尤其重要，在這種生物體中，對各種器官功能的監(jiān)測需要結(jié)合不同的傳感原理?？缟掀る娮铚y量是非侵入性技術(shù)之一，已成功集成到MPS中，以評估內(nèi)皮或上皮模型的屏障完整性和連接動(dòng)力學(xué)（151）。基于電阻抗譜的方法通過利用擴(kuò)展的頻域數(shù)據(jù)克服了傳統(tǒng)的跨上皮電阻測量技術(shù)，因此，可以評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)用包括通過對收縮活動(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，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)。理解組織來源的神經(jīng)營養(yǎng)因子和神經(jīng)引導(dǎo)因子如何驅(qū)動(dòng)軸突生長并在發(fā)育過程中決定其方向?qū)⑹怯袔椭摹?/span>

干細(xì)胞來源的區(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，在那里它們在功能上整合到局部興奮性回路（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，它們在那里引起協(xié)調(diào)的肌肉收縮，很容易區(qū)別于局部自發(fā)收縮，并可以通過電刺激誘發(fā)（31）。神經(jīng)支配對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，忽略軸突生長對相應(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，其中感覺器(如視杯類器官)和效應(yīng)器(如肌纖維)通過皮質(zhì)模型相互連接，并通過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。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，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，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，大腦可以通過腸道膽堿能抗炎通路，通過迷走神經(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，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、無腦的、無情緒的生理體外有機(jī)體的成熟可以在很長一段時(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)。反過來，這可能使預(yù)測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，其優(yōu)勢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。通過早期發(fā)現(xiàn)不成功的治療方案，這可以顯著降低對每個(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。該圖說明了有機(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（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。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(例如，從臍帶血中提取)已經(jīng)在使用中，并將成為未來的選擇，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)在患者來源的異種移植模型或人類患者來源的類器官無法實(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。此外，它們沒有疫背景來對抗癌癥。病人來源的類器官也沒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)。

對于第二種情況，數(shù)十年來，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估程序的預(yù)測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)，在過去30年里，一場基于生物學(xué)的治療策略革命出現(xiàn)了——利用人體自身的工具來對抗疾病。近年來，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，這一趨勢同樣顯著地降低了通過應(yīng)用臨床前的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物試驗(yàn)來預(yù)測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越多（172）。此外，在過去的幾年里，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。在這一趨勢開始的時(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)到了患者治療過程的年平均價(jià)格約為9.6萬美元（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)體有可能通過改變藥物開發(fā)的模式來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，累積藥物開發(fā)成本將降低5倍，藥物開發(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)測精度（圖6），在與臨床試驗(yàn)相對應(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)體樣體測試。

圖5 |說明有機(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，說明有機(jī)體理論如何可以用來模擬臨床試驗(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。圖7詳細(xì)說明了這些優(yōu)勢，并舉例說明了利用基于有機(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，例如通過高糖飲食產(chǎn)生糖尿病生物樣體。為了評估一種新的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10萬倍。由于與人體相比，生物體的大小相對較小，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)說明了新的單藥療法在分別對應(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)勢是，在藥物開發(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)。由于缺乏對單個(gè)患者的任何生物重復(fù)，以及對他們在健康內(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)過程成為一種漫長的、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，它們允許近親繁殖的實(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。

有機(jī)體體方法的另一個(gè)明顯優(yōu)勢是，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。這將包括對療效進(jìn)行劑量依賴的評估，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發(fā)階段。

關(guān)于這兩種使用場景，我們設(shè)想有機(jī)體將對從個(gè)人數(shù)據(jù)庫收集的醫(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、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)一步提高對大量患者群體進(jìn)行精確藥物治療的預(yù)測能力，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，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序成本方面已經(jīng)有過先例。

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，全球注冊了超過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，患者對個(gè)性化細(xì)胞治療的反應(yīng)無法在臨床前的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物模型中模擬。同樣，在傳統(tǒng)的患者來源的類器官培養(yǎng)中，患者的反應(yīng)也無法預(yù)測，因?yàn)樗鼈儧]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，其中一些無法在生物類體上表征。

倫理考量對人類社會(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。我們設(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，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。通過內(nèi)皮細(xì)胞層將每個(gè)類器官從共同的血液中局部分離，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。反過來，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期、所謂的自我維持的身體功能。

我們已經(jīng)說明，類器官體外培養(yǎng)技術(shù)和過去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，越來越多的關(guān)于人類疾病建模和人體組織芯片治療測試的科學(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)，在沒病人的情況下測試病人

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。通過類器官模擬人類器官組織的生理發(fā)育過程，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等方面的評估，旨在減少和取代實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物測試，簡化人體臨床試驗(yàn)。

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

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，然后通過微通道連接起來，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)用于藥物開發(fā)、化妝品、食品與營養(yǎng)和消費(fèi)產(chǎn)品等多個(gè)領(lǐng)域.

參考文獻(xiàn)

1. Marx, U.; Walles, H.; Hoffmann, S.; Lindner, G.; Horland, R.; Sonntag, F.; Klotzbach, U.; Sakharov, D.; Tonevitsky, A.; Lauster, R. ‘Human-on-a-chip’ Developments: A Translational Cutting-edge Alternative to Systemic Safety Assessment and Efficiency Evaluation of Substances in Laboratory Animals and Man? Atla-Altern. Lab. Anim. 2012, 40, 235–257. [CrossRef] [PubMed]

2. Almeida, A.; Sarmento, B.; Rodrigues, F. Insights on in vitro models for safety and toxicity assessment of cosmetic ingredients. Int. J. Pharmaceut. 2017, 519, 178–185. [CrossRef] [PubMed]

3. Mehling, A.; Eriksson, T.; Eltze, T.; Kolle, S.; Ramirez, T.; Teubner, W.; van Ravenzwaay, B.; Landsiedel, R. Non-animal test methods for predicting skin sensitization potentials. Arch. Toxicol. 2012, 86, 1273–1295. [CrossRef] [PubMed]

4. Petrova, A.; Capalbo, A.; Jacquet, L.; Hazelwood-Smith, S.; Dafou, D.; Hobbs, C.; Arno, M.; Farcomeni, A.; Devito, L.; Badraiq, H.; et al. Induced Pluripotent Stem Cell Differentiation and Three-Dimensional Tissue Formation Attenuate Clonal Epigenetic Differences in Trichohyalin. Stem. Cells Dev. 2016, 25, 1366–1375. [CrossRef]

5. Mertsching, H.; Weimer, M.; Kersen, S.; Brunner, H. Human skin equivalent as an alternative to animal testing. GMS Hyg. Infect. Contr. 2008, 3, Doc11.

6. Maruguchi, T.; Maruguchi, Y.; Suzuki, S.; Matsuda, K.; Toda, K.I.; Isshiki, N. A New Skin Equivalent—Keratinocytes Proliferated and Differentiated on Collagen Sponge Containing Fibroblasts. Plast. Reconstr. Surg. 1994, 93, 537–544. [CrossRef]

7. Stark, H.J.; Baur, M.; Breitkreutz, D.; Mirancea, N.; Fusenig, N.E. Organotypic keratinocyte cocultures in defined medium with regular epidermal morphogenesis and differentiation. J. Investig. Dermatol. 1999, 112, 681–691. [CrossRef]

8. Reijnders, C.M.A.; van Lier, A.; Roffel, S.; Kramer, D.; Scheper, R.J.; Gibbs, S. Development of a Full-Thickness Human Skin Equivalent In Vitro Model Derived from TERT-Immortalized Keratinocytes and Fibroblasts. Tissue Eng. Part A 2015, 21, 2448–2459.