秦建華 張 敏 于 浩 李中玉

1 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 大連 160023

2 中國科學(xué)院大學(xué) 未來技術(shù)學(xué)院 北京 100049

人體器官芯片*

秦建華1,2張 敏1于 浩1李中玉1

1 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 大連 160023

2 中國科學(xué)院大學(xué) 未來技術(shù)學(xué)院 北京 100049

人體器官芯片是一門新興的前沿科學(xué)技術(shù)，也是一門典型的多學(xué)科交叉匯聚技術(shù)，對人類健康和生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義，吸引了來自政府、科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，被 2016 年達沃斯世界經(jīng)濟論壇列為“十大新興技術(shù)”之一。人體器官芯片指的是一種在載玻片大小芯片上構(gòu)建的器官生理微系統(tǒng)，包含有活體細胞、組織界面、生物流體和機械力等器官微環(huán)境關(guān)鍵要素。它可在體外模擬人體不同組織器官的主要結(jié)構(gòu)功能特征和復(fù)雜的器官間聯(lián)系，用以預(yù)測人體對藥物或外界不同刺激產(chǎn)生的反應(yīng)，在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究、新藥研發(fā)、個性化醫(yī)療、毒性預(yù)測和生物防御等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。文章概述性介紹了人體器官芯片的起源、國際發(fā)展態(tài)勢和研究進展，并對其面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢予以展望。

器官芯片，微流控，生物傳感，疾病模型，藥物評價

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.12.002

人體器官芯片（Human organs-on-chips）是近幾年快速發(fā)展起來的一門前沿科學(xué)技術(shù)，也是生物技術(shù)中極具特色而富有活力的新興領(lǐng)域，對人類健康和生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。它融合了物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)和微機電等多個學(xué)科，被 2016 年達沃斯世界經(jīng)濟論壇列為“十大新興技術(shù)”之一。

人體器官芯片指的是一種在芯片上構(gòu)建的器官生理微系統(tǒng)，它以微流控芯片為核心，通過與細胞生物學(xué)、生物材料和工程學(xué)等多種方法相結(jié)合，可以在體外模擬構(gòu)建包含有多種活體細胞、功能組織界面、生物流體和機械力刺激等復(fù)雜因素的組織器官微環(huán)境，反映人體組織器官的主要結(jié)構(gòu)和功能特征。這種微縮的組織器官模型不僅可在體外接近真實地重現(xiàn)人體器官的生理、病理活動，還可能使研究人員以前所未有的方式來見證和研究機體的各種生物學(xué)行為，預(yù)測人體對藥物或外界不同刺激產(chǎn)生的反應(yīng)，在生命科學(xué)研究、疾病模擬和新藥研發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價值。2015 年 Nature 雜志發(fā)表評論，稱器官芯片是未來可能替代動物試驗的革命性技術(shù)[1]。

1 人體器官芯片的崛起

人體器官芯片崛起的動力是生命科學(xué)領(lǐng)域快速發(fā)展所產(chǎn)生的強烈需求，而以半導(dǎo)體加工方法為核心的微流控技術(shù)與細胞生物學(xué)交叉研究的成就積累是其得以快速發(fā)展的重要保障。長久以來，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的主要目的是為了解析人類生命現(xiàn)象，探究人體生理活動以及疾病過程，并尋求有效治療方案。盡管生命科學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展已為改善人類健康發(fā)揮了極其重要的作用，但是 1 個世紀以來，大量的生物學(xué)實驗仍依賴于非常簡單的單層細胞培養(yǎng)方式。研究人員將不同來源細胞接種在具有剛性的基板上進行培養(yǎng)，研究觀察多種細胞行為。由于人體的復(fù)雜性，這種過于簡化的研究方式不僅難以反映體內(nèi)復(fù)雜的組織器官功能特點，更難以反映人體組織器官對外界刺激產(chǎn)生的真實響應(yīng)。雖然動物實驗可以提供一定的體內(nèi)信息，但仍存在種屬差異和對實際人體反應(yīng)預(yù)測能力較差等顯著不足。僅以藥物研發(fā)為例，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）調(diào)查顯示，每種新藥的研發(fā)周期平均長達 10 年，費用約為 5 億—10 億美元；而約92%的藥物經(jīng)動物實驗證實安全有效之后，在臨床人體試驗中失敗，從而形成了新藥研發(fā)領(lǐng)域高投入、高風(fēng)險和低產(chǎn)出的尷尬局面。正是這些迫切需求催生了人體器官芯片這一新興技術(shù)的出現(xiàn)，同時也為解決上述瓶頸問題提供了一種基于組織和器官水平的創(chuàng)新研究體系和系統(tǒng)解決方案。

2 人體器官芯片的國際發(fā)展態(tài)勢

人體器官芯片研究的早期報道見諸于 2004 年[2]，但是，其真正從學(xué)術(shù)界的廣泛重視轉(zhuǎn)為政府及產(chǎn)業(yè)界的介入則是近幾年的事，其標志性工作是由哈佛大學(xué)開展的肺芯片研究[3-5]。Ingber 等開發(fā)了一種載玻片大小的兩層肺芯片，用以模擬人體肺泡的氣液界面和肺牽張作用，形成一個類似“呼吸的肺”，這顯示了器官芯片的初級功能化。幾乎在同一時期，筆者研究團隊也從不同角度介入這一領(lǐng)域研究，設(shè)計開發(fā)腫瘤芯片并用于腫瘤轉(zhuǎn)移研究[6-9]。鑒于器官芯片的獨特功能特點和廣泛應(yīng)用前景，該技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，很快引起了政府部門、科技界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，多國政府陸續(xù)設(shè)立一系列項目加速開展人體器官芯片研究。

2011 年，美國政府率先宣布啟動人體芯片計劃（Human-on-Chip）。該計劃由美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）組建跨部門協(xié)作機構(gòu)國家高級轉(zhuǎn)化科學(xué)中心（NCATS）負責，并聯(lián)合美國 FDA 和國防部高級研究計劃局（DARPA）共同推進。人體芯片計劃的主要目的是開發(fā)人體芯片用于新藥開發(fā)和毒性預(yù)測領(lǐng)域，計劃投入總計約 7 500 萬美元。近期，美國又在干細胞領(lǐng)域繼續(xù)加大布局，支持器官芯片技術(shù)用于疾病研究。此外，2017 年初，美國空間科學(xué)發(fā)展中心（CASIS）聯(lián)合 NCATS 和 NIH，設(shè)立多項基金支持美國國家實驗室開展人體器官芯片空間站試驗，以推進新技術(shù)，改善人類健康。2017 年 4 月，F(xiàn)DA 作為美國政府官方機構(gòu)正式宣布對一種肝臟芯片開展系列測試，以確認其能否獲取新藥審批認可的實驗數(shù)據(jù)，進而來代替動物實驗。

歐盟是世界最大的經(jīng)濟體，近幾年對人體器官芯片相關(guān)研究也有大量投入。特別是，歐洲禁止動物用于化妝品測試等政策的出臺，也極大地促進了對器官芯片這一可能的動物替代性技術(shù)的關(guān)注。比如，德國柏林工業(yè)大學(xué) 2010 年獲得 Go-Bio 基金支持，歐盟第七框架計劃也包含“人體芯片”項目，以及 2016 年開始的 EU-Tox 風(fēng)險項目等也包含支持器官芯片的部分。這些資金支持極大地推進了世界范圍內(nèi)器官芯片領(lǐng)域的研究，同時也吸引了更多其他項目和機構(gòu)進入這一全新領(lǐng)域。令人欣慰的是，近期，我國科技部和中科院等相繼在人體器官芯片領(lǐng)域開展布局，設(shè)立不同專項支持，體現(xiàn)了政府部門和科學(xué)界對這一新興前沿技術(shù)的關(guān)注和支持。同時，國際器官芯片領(lǐng)域的主流刊物 Lab on a Chip 自 2011 年始，連續(xù)出版系列專輯介紹器官芯片的最新研究成果。2015 年，第一屆世界器官芯片大會在美國波士頓召開。2017 年 6 月，在瑞典召開微流控諾貝爾論壇，筆者受邀參加并做器官芯片主題報告。

與此同時，由于人體器官芯片具有廣泛應(yīng)用空間和產(chǎn)業(yè)化前景，一些企業(yè)也紛紛涉足這一高新技術(shù)領(lǐng)域，一個新興的器官芯片產(chǎn)業(yè)正在初步形成之中。Emulate、CN Bio、CN Bio Innovations 等一批致力于器官芯片研發(fā)的新型初創(chuàng)生物公司陸續(xù)涌現(xiàn)；大型制藥企業(yè)和化妝品公司（如默克、歐萊雅、強生、羅氏和賽諾菲等企業(yè)）也開始介入這一領(lǐng)域，例如輝瑞公司宣布將 Draper 公司的器官芯片技術(shù)用于藥物研發(fā)。

無疑，人體器官芯片的出現(xiàn)已形成了由政府、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界三方聯(lián)動的助推模式，顯示出世界范圍內(nèi)對這一變革性技術(shù)的關(guān)注和期待，也使這項技術(shù)形成了一種迅猛發(fā)展以及加速轉(zhuǎn)化應(yīng)用的態(tài)勢，有可能成為競爭新一輪科技革命的戰(zhàn)略制高點之一。

3 人體器官芯片的研究進展

人體器官芯片是生物芯片領(lǐng)域發(fā)展最快、應(yīng)用前景最為明確的方向之一，近年來已經(jīng)取得了顯著進展——在微芯片上構(gòu)建的組織器官類型逐漸增多，“心臟芯片”“肺芯片”“肝臟芯片”“血管芯片”和“腸芯片”等多種器官芯片相繼出現(xiàn)，同時包含多個組織器官的“多器官芯片”也陸續(xù)見于報道，這顯示出器官芯片技術(shù)在疾病研究、個性化醫(yī)療和藥物開發(fā)中的巨大應(yīng)用潛力。

3.1 肺芯片

肺是人體的呼吸器官，肺泡是肺部氣體交換的主要部位。傳統(tǒng)生物學(xué)研究方法難以在體外模擬肺泡復(fù)雜的細胞組成及周期性的呼吸運動。肺芯片研究主要集中于氣血屏障構(gòu)建、機械壓力[10]、流體剪切力作用研究[4]及病理生理過程模擬。例如，Ingber 課題組開展了一系列肺芯片構(gòu)建及肺相關(guān)疾病研究，構(gòu)建了一種雙層夾膜芯片以模擬人肺的呼吸過程。研究發(fā)現(xiàn)，在氣體通道中加入 TNF-α、二氧化硅納米顆粒和細菌均能誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細胞黏附分子（ICAM）表達增加，并促進下層通道循環(huán)流體中中性粒細胞的黏附[3]。在肺芯片基礎(chǔ)上，通過在微通道中加入白細胞介素 2（IL-2），建立了肺水腫病理學(xué)模型（圖 1）[5]；利用慢性阻塞性肺病病人樣本，體外模擬了病毒性或細菌性感染誘導(dǎo)的肺部炎癥惡化，這與在慢性阻塞性肺疾病（COPD）病人病理標本中的觀察結(jié)果類似[11]。該系列研究證實了肺芯片不僅可以模擬肺部疾病的病理過程，也發(fā)現(xiàn)了周期性呼吸運動在肺部疾病發(fā)生發(fā)展中的重要作用，為呼吸系統(tǒng)疾病研究提供了一種新的思路。

3.2 肝芯片

肝臟是人體內(nèi)最重要的毒素、藥物代謝器官，由具有復(fù)雜多細胞成分和管道結(jié)構(gòu)的肝小葉構(gòu)成[12]。如何在體外實驗中長時間地維持肝細胞的生物學(xué)特性與功能是肝組織工程學(xué)研究的難點。目前，肝芯片研究主要集中于在芯片上建立多種細胞組成的功能化肝組織生理學(xué)模型[13]，如膽小管、肝小葉和肝血竇等[14]，并將其應(yīng)用于藥物 ADMET 動力學(xué)分析及藥物毒理評價[15]。例如，Lee 等[16]成功構(gòu)建了人工肝竇芯片，采用具有高度滲透性的內(nèi)皮間隙結(jié)構(gòu)將原代肝細胞與外部血竇樣區(qū)域分離，所構(gòu)建的肝模型更加接近人體內(nèi)的真實形態(tài)，并能更好地保持肝臟特異性功能。也有研究顯示，成纖維細胞、肝星形細胞[17]以及人誘導(dǎo)性多能干細胞來源的血管內(nèi)皮細胞[18]等其他細胞及流體因素參與肝芯片模型建立，對于促進肝細胞發(fā)育、白蛋白分泌、糖原合成以及藥物代謝等肝臟功能也具有重要意義。如何利用器官芯片技術(shù)的微環(huán)境多維可控特點，更好地實現(xiàn)肝組織功能化并集成高通量分析是肝芯片研究的重點。

圖1 肺芯片構(gòu)建及體外模擬肺水腫病變[5]（a）肺水腫芯片結(jié)構(gòu)示意圖；（b）IL-2和機械力介導(dǎo)的肺泡-毛細血管屏障滲透性改變；（c）通過檢測FITC-菊粉的滲透率表征IL-2介導(dǎo)的屏障功能改變；（d）芯片模擬與小鼠模型IL-2介導(dǎo)的屏障通透性量化關(guān)系的比較

3.3 腎芯片

腎臟是人體重要的排泄器官，對維持體內(nèi)滲透壓與自穩(wěn)態(tài)具有重要的作用，也是藥物排泄的主要器官。腎單位是腎臟的結(jié)構(gòu)單位，由腎小球、腎小囊和腎小管共同構(gòu)成，也是腎臟發(fā)揮濾過與重吸收功能的基礎(chǔ)。腎芯片研究主要集中在腎單位結(jié)構(gòu)和功能的模擬，以及在此基礎(chǔ)上的腎臟疾病病理微環(huán)境模擬和疾病機制研究。例如，有研究者在芯片上模擬了腎單位結(jié)構(gòu)中的腎小球、近曲小管和遠曲小管，并初步實現(xiàn)了血樣樣本濾過、原尿形成和尿素的重吸收[19]。也有研究關(guān)注于流體剪切力對腎單位細胞骨架、離子、糖及藥物等物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響[20]，驗證了流體因素對于腎功能研究的重要性[21]。筆者團隊利用腎小管細胞構(gòu)建腎纖維化病理模型，研究證實了補體 C3a 在腎間質(zhì)纖維化過程中的關(guān)鍵作用[22]。

3.4 血腦屏障芯片

血腦屏障（Blood-Brain Barrier，BBB）是人腦中介于血液和腦組織之間的一道生理性屏障，對維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生理活動和腦內(nèi)微環(huán)境穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，而建立近生理的 BBB 體外模型有利于推動神經(jīng)系統(tǒng)藥物研發(fā)進程。Shao 等[23]通過在芯片微通道的膜上培養(yǎng)微血管內(nèi)皮細胞，施加流體刺激構(gòu)建了動態(tài) BBB 模型，模擬了藥物誘導(dǎo)腦細胞毒性反應(yīng)的過程。Wang 等[24]使用腦微血管內(nèi)皮細胞與大鼠原代星形膠質(zhì)細胞在多孔膜兩側(cè)共培養(yǎng)，構(gòu)建了 BBB 模型。為反映 BBB 模型更接近生理環(huán)境的功能特征，筆者團隊利用器官芯片技術(shù)特色性構(gòu)建了包含多種腦細胞、細胞外基質(zhì)和機械流體條件等關(guān)鍵要素的高通量動態(tài)三維 BBB 模型，驗證了其近生理環(huán)境的結(jié)構(gòu)功能特性，并利用該模型開展了對臨床抗腫瘤藥物的篩選評價，為腦腫瘤研究和藥物研發(fā)提供了一種新的思路（圖 2）[25]。

3.5 多器官芯片

圖2 高通量三維血腦屏障（BBB）芯片結(jié)構(gòu)功能示意圖[25](a）體內(nèi)BBB主要細胞組成；（b）BBB芯片結(jié)構(gòu)示意圖：（i）高通量BBB芯片包含16個功能單元，（ii）每個功能單元包含4個屏障區(qū)域、膠原通道、血管通道和氣體通道，（iii）芯片局部放大示意圖和（iv）側(cè)視圖，流體刺激、三維基質(zhì)界面、腦微血管內(nèi)皮細胞和星形膠質(zhì)細胞;（c）包含多細胞的屏障形成熒光圖

隨著器官芯片技術(shù)的發(fā)展，在芯片上同時構(gòu)建多個器官的“多器官芯片”成為當前研究的熱點[26]。而人體芯片的最終形式將擁有10種以上的器官類型，包括肝、腸、心、腎、腦、肺，以及生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、血管系統(tǒng)和皮膚等。人體芯片將能夠監(jiān)控藥物對芯片上“人體”的反應(yīng)，并最終勘察出藥物對不同器官或整個系統(tǒng)的藥理和毒性作用?！岸嗥鞴傩酒笨稍诓煌δ軈^(qū)域同時構(gòu)建多個組織器官，并通過芯片管道（模擬人體血管）相連接[27]，模擬人體對特定物質(zhì)的吸收、代謝、轉(zhuǎn)化和排泄過程[28]（圖 3）。目前已有研究者嘗試在一個芯片上實現(xiàn)對腸、肝、皮膚和腎等類器官的長時間共培養(yǎng)，細胞均保持高活性并能夠自發(fā)形成功能結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)自穩(wěn)態(tài)[29]。此外，為實現(xiàn)多器官芯片的信息采集處理，將多模式傳感技術(shù)與芯片進行集成是未來的發(fā)展趨勢。已有研究者開發(fā)了一種可集成電化學(xué)及免疫傳感模塊的多器官芯片，可同時監(jiān)測組織培養(yǎng)微環(huán)境參數(shù)（pH值、O2濃度、溫度等）及與組織功能相關(guān)的可溶性生物標志物[30]。

4 人體器官芯片的應(yīng)用領(lǐng)域

人體器官芯片技術(shù)研究的創(chuàng)新思想建立在充分了解人體的復(fù)雜組織器官結(jié)構(gòu)和生理功能特點的基礎(chǔ)上，它為藥物研發(fā)、疾病研究、化學(xué)品、毒素以及化妝品測試等領(lǐng)域提供了一種近生理的體外模型，在多個領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價值。

4.1 藥物評價

圖3 多器官人體芯片作用示意圖

藥物評價主要是研究藥物與人體之間的作用及規(guī)律，根據(jù)藥物吸收、分布、代謝、排泄（ADME）的體內(nèi)過程，確定其有效性及安全性。器官芯片可反映這種藥物在體內(nèi)的動態(tài)變化規(guī)律和人體器官對藥物刺激的真實響應(yīng)，彌補了現(xiàn)有模型與人體偏差較大的不足，構(gòu)成一種藥代、藥效、毒性三位一體的成藥性評價技術(shù)體系。目前已有諸多研究用器官芯片開展藥物評價的工作，如：Shuler 課題組通過可控的流體操控在肝-腫瘤多器官芯片，建立基于生理學(xué)的藥代動力學(xué)模型（PKPD），預(yù)測人體對藥物的反應(yīng)[31-33]。筆者課題組也構(gòu)建了一種研究藥代、藥效、毒理三位一體成藥性過程的多器官芯片。該芯片采用卡培他濱為模型藥物，研究其經(jīng)肝細胞代謝后生成的代謝物對不同組織的作用[34]。此外，還構(gòu)建了肝-腎、腸-腎復(fù)合器官芯片模型，開展藥物肝代謝、腸吸收及腎毒性研究[35,36]。采用器官芯片進行藥代、藥效、毒理研究，對獲得更為可靠的測試數(shù)據(jù)、減少動物實驗數(shù)量具有重要意義。

4.2 疾病研究

在疾病研究領(lǐng)域，器官芯片對于重現(xiàn)人類疾病特征、研究多因素參與的疾病病理機制提供了新的機遇。盡管器官芯片技術(shù)對人體生物學(xué)組織器官構(gòu)成進行了一定程度的簡化，但該技術(shù)在重建復(fù)雜器官功能和人體病理生理學(xué)特征方面仍具有不可替代的作用。比如，利用腸芯片可以實現(xiàn)對多種組織細胞的共培養(yǎng)，包括上皮組織細胞、免疫細胞及共生細菌、致病菌等，從而可用來研究炎性腸病發(fā)病過程中細菌和淋巴細胞的相互作用特性[37]。筆者團隊也成功構(gòu)建了含有原代腎小球組織、基質(zhì)成分和血管樣機械流體的腎芯片模型，反映糖尿病腎病發(fā)生過程中早期腎小球損害的主要病理變化特點，結(jié)果顯示出與體內(nèi)典型病理生理過程的相關(guān)性[38]。

隨著干細胞領(lǐng)域研究的快速發(fā)展，人體器官芯片在利用人多能干細胞建立疾病模型等方面也已取得進展。有研究報道，利用患者來源干細胞，可在芯片上構(gòu)建功能性心臟組織，模擬遺傳性心臟病模型（Barth 綜合征）[39]。采用患者體細胞來源干細胞構(gòu)建的特定病人“個性化人體芯片”，將使個體化的疾病風(fēng)險預(yù)測、藥物藥效評價、毒理評估和預(yù)后分析成為可能。筆者團隊將器官芯片技術(shù)與干細胞發(fā)育學(xué)原理相結(jié)合，實現(xiàn)了對人誘導(dǎo)多能干細胞來源類腦器官模型的工程化構(gòu)建，并用于研究環(huán)境因素暴露對腦早期發(fā)育的影響[40,41]。

4.3 毒理學(xué)評價

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們對人體和環(huán)境安全重視度提高，亟需出現(xiàn)更為科學(xué)、高效、經(jīng)濟的毒性測試方法來滿足人們對化學(xué)品、藥品、農(nóng)藥、食品添加劑和化妝品等各種化學(xué)物質(zhì)進行安全風(fēng)險評估的需求。由于人體的復(fù)雜性，現(xiàn)有的體外評價模型和動物實驗并不能準確地反映人體對危害因素的反應(yīng)。將器官芯片應(yīng)用于環(huán)境污染物、化學(xué)品、納米顆粒、生物毒素、物理輻射等毒理學(xué)測試領(lǐng)域[42]，具有巨大的應(yīng)用空間?？梢愿玫啬M人體對化合物、細菌、毒素真實反應(yīng)[43]，顯著減少毒性評估的成本和時間，是毒性測試動物替代技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域和研究熱點。

5 結(jié)語與展望

人體器官芯片是人類健康領(lǐng)域的未來技術(shù)，在疾病研究、個性化醫(yī)療、毒性預(yù)測和新藥研發(fā)等領(lǐng)域的作用和優(yōu)勢日益呈現(xiàn)，其發(fā)展前景吸引了世界范圍的關(guān)注，孕育著重要的科學(xué)進步。隨著該技術(shù)的長遠發(fā)展，在未來利用人體器官芯片有可能構(gòu)建一種“類人”的生命模擬系統(tǒng)，并將有可能徹底改變?nèi)藗兞私庾陨淼姆绞剑瑸樯茖W(xué)和醫(yī)學(xué)研究提供一種整體性和系統(tǒng)性的解決方案，在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

盡管人體器官芯片研究已取得顯著進展，但其未來發(fā)展仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如：如何建立更符合人體生理的器官芯片體系，如何實現(xiàn)多種器官的功能關(guān)聯(lián)性和兼容性，以及如何實現(xiàn)芯片標準化和集成傳感檢測等。伴隨著巨大應(yīng)用需求和市場驅(qū)動，人體器官芯片與干細胞、組學(xué)技術(shù)、基因編輯、合成生物學(xué)、高分辨成像、大數(shù)據(jù)和人工智能等領(lǐng)域的深度融合發(fā)展將是未來的發(fā)展趨勢。目前，中科院在干細胞和生物傳感等多個領(lǐng)域都已達到國際先進水平，面臨時不我待的新形勢，如果能及時抓住機遇，集成多個優(yōu)勢領(lǐng)域進行前瞻布局，加大投入，將有利于促進我國人體器官芯片的快速發(fā)展，并帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)，也勢必有利于我國在新一輪國際競爭中占據(jù)有利地位。

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Human Organs-on-a-chip

Qin Jianhua1,2Zhang Min1Yu Hao1Li Zhongyu1
（1 Division of Biotechnology, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 160023, China;2 School of Future Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Human organs-on-a-chip is a newly emerging and frontier technology involving with different disciplines in recent years. It refers to a biomimetic microphysiological system created on a bioengineered microfluidic device, representing the organ-level functional units. It can recapitulate the physiologically relevant structures and functions of the organs, as well as the interaction between multiple organs as in vivo, thereby offering alternative models for predicting human responses to various drugs and environmental stimulus. Organs-on-a-chip technology has wide application potentials in many fields such as life science, drug discovery, personalized medicine, food/environment monitoring and biological defense et al. The emergence of this technology has attracted much attention from the government, scientific community and industry due to its unique features and promising applications. It has been selected as the “Top Ten Emerging Technologies” by the World Economic Forum in 2016. Considering the huge market in industrialization, several companies have started to get involved in this area and the pace of industrialization has been accelerated rapidly.Human organs-on-a-chip scan not only reproduce the physiopathology of human organ, but it can also enable researchers to witness and study various biological behaviors of the organism in an unprecedented way. It could be used to analyze the occurrence and development of the complicated human diseases in a new perspective, and is expected to bring about a revolution in the traditional fields including biomedical research, drug testing,personalized medicine, toxicity prediction, biodefensive fields. Here, we summarize the origins, development, and application fields of human organson-a-chip technology. We also discuss the existing challenges and give perspectives for the development of this technology in future.

organs-on-a-chip, microfluidic, biosensing and devices, disease model, drug evaluation

秦建華 中科院大連化學(xué)物理所研究員、微流控芯片中心主任，遼寧省微流控芯片重點實驗室主任，大連市微流控芯片工程中心主任。先后任本領(lǐng)域國際刊物 Biomicrofluidics 副主編和 Lab on a Chip 副主編，2014年入選英國皇家化學(xué)會會士。主要研究領(lǐng)域：微流控系統(tǒng)與生物醫(yī)學(xué)交叉學(xué)科研究，人體器官芯片構(gòu)筑基礎(chǔ)及其應(yīng)用。E-mail: jhqin@dicp.ac.cn

M.D. from China Medical University, and Ph.D. from Chinese Academy of Sciences (CAS), respectively. She did postdoctoral research at Universityof Toronto in Canada and worked as visiting professor at the University of Hong Kong, China. She is the director of Microfluidics Research Center in Dalian Institute of Chemical Physics, CAS. She was elected as the Fellow of Royal Society of Chemistry (FRSC) in 2014. She served as the associate editor of Lab on a Chip and Biomicrofluidics. She has published more than 100 peer reviewed papers and 2 books. She held 70 patents till now. Her current research interests lie in the development of organs-on-chips technology for applications in disease modeling and drug testing. E-mail: jhqin@dicp.ac.cn

*資助項目：國家自然科學(xué)基金項目（91543121、3167 1038），中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA16020900、XDPB030503）

修改稿收到日期：2017年12月16日