蘇 曼，李 翔，華辰鳳，趙 閣，尚平平，趙俊偉，王 昇，謝復煒

中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號450001

微流控芯片技術又稱芯片實驗室（Lab-on-a-chip），即把樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊芯片上，用來實現(xiàn)常規(guī)生物或化學實驗室的各種功能的一種技術，是目前公認的生物學研究主要技術平臺之一［1］。最初，微流控芯片被用于以微型色譜和毛細管電泳構建“微全分析系統(tǒng)μ-TAS”或“芯片實驗室”模型來代替實驗室分析的傳統(tǒng)分析方法［2］。隨著微流控芯片技術的廣泛應用，研究人員開始將其應用于細胞生物學領域，利用微加工技術實現(xiàn)芯片上的細胞培養(yǎng)［3］，在微流控芯片上制造出能夠模擬人類器官主要功能的仿生系統(tǒng)，也稱為“器官芯片（Organ-on-chip）［4-5］”。器官芯片利用微流控技術可以產生精確可控的流體剪應力、周期性變化的機械力和溶質濃度梯度變化的灌注液體［6-7］。通過多種細胞的靈活組合，還可以在微流控芯片平臺上研究組織-組織、器官-器官的相互作用，從而模擬人體器官的復雜結構、微環(huán)境和生理功能［8-9］，其中微環(huán)境的模擬、組織-器官的相互作用模型以及類器官模型的可變性是器官芯片面臨的技術挑戰(zhàn)和未來致力的研究方向［10］。器官芯片在細胞三維培養(yǎng)方面具有的獨特優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)二維細胞培養(yǎng)模式難以實現(xiàn)人體組織器官復雜生理功能的局限，解決了動物實驗周期長、成本高、難以預測人體對于各種藥物響應的問題［11］，符合“21世紀毒理學”的愿景與策略，實現(xiàn)了體內研究的體外代替，在微納尺度上實現(xiàn)多維度的生命分析。

目前，肺［12］、肝［13］、腎［14-15］、腸［16］、神經［17］和心臟［18］等器官芯片的構建已經實現(xiàn)。器官芯片通過與細胞生物學、工程學和生物材料等各個學科的技術相結合，可以模擬多種組織和器官微環(huán)境，反映人體器官的主要結構和功能特征，已被應用于生物醫(yī)學和環(huán)境科學等領域?；谖⒘骺匦酒诙拘栽u估中的優(yōu)勢，器官芯片將在煙草制品風險評估領域具有重要的應用價值。本文中著重介紹了肺、腸、肝芯片以及多細胞組合的多器官芯片［19］的研究進展和器官芯片在藥物毒性評估和環(huán)境毒理學中的應用，在此基礎上展望了器官芯片在煙草制品毒理學評價領域的研究趨勢。

1 微流控器官芯片研究進展

1.1 肺芯片

在以往的肺部疾病相關研究中已經建立了許多體外模型和動物模型，但是這些模型是否與臨床結果相一致還存在爭議［20-22］。實驗室內廣泛使用的嚙齒動物，由于種屬差異的存在，生理過程與人類有很大不同［23-24］。另一方面，現(xiàn)有的體外模型通常利用二維單層培養(yǎng)的細胞系或未分化的原代細胞，與實際生理環(huán)境差異大，而微流控芯片技術可以實現(xiàn)細胞的三維培養(yǎng)，這為疾病研究的體外建模［25］和毒性評估［26］提供了新的平臺。目前已經建立了小氣道疾病、肺水腫、哮喘和外源性肺損傷等模型［27］。

2010年，哈佛大學的Ingber研究團隊設計了雙層夾膜結構的肺芯片經典模型［12］，這種仿生肺模型又被稱為“會呼吸的肺”，芯片上層為氣體腔室，培養(yǎng)肺泡上皮細胞；下層為液體層，培養(yǎng)血管內皮細胞；中間由微孔膜分隔開，通過對兩側腔室的規(guī)律性抽吸帶動細胞生長層的伸縮來模擬呼吸運動（圖1）。之后，Ingber課題組在該肺芯片上建立了肺水腫模型［28］，研究發(fā)現(xiàn)，在呼吸運動的存在下白介素-2（IL-2）對肺氣血屏障的損壞作用更為顯著。2018年，Ingber團隊的Jain等［29］將原代肺泡上皮細胞與內皮細胞共培養(yǎng)在這種肺芯片模型上，用于評估血栓的形成，結果表明脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）通過激活肺泡上皮間接刺激血管內血栓形成，為研究人類肺血栓形成機制提供了新方法。2016年，Ingber團隊的Benam等［30］設計了一種“小氣道芯片”，包含上層氣液界面培養(yǎng)的原代細支氣管上皮細胞層和下層微血管內皮細胞層，微血管通道內流過含有中性粒細胞的培養(yǎng)液，可實時分析生理剪切力作用下內皮細胞捕獲白細胞的情況。這種小氣道芯片可用于在體外模擬復雜、動態(tài)的炎癥反應，進一步拓展了肺芯片技術在體外模型構建中的應用。2016年，大連醫(yī)科大學的Xu等［31］報告了一種用于研究肺癌細胞轉移的多器官芯片，該芯片包括一個上游的“肺”和3個下游器官：腦、骨骼、肝，CXCR4蛋白、RANKL蛋白、AFP蛋白等標志物的過表達表示癌細胞轉移后細胞受損，該芯片系統(tǒng)為模擬體內腫瘤轉移的微環(huán)境和研究轉移過程中細胞-細胞相互作用提供了一種可靠的體外平臺。2018年，加拿大多倫多大學的Humayun等［32］設計了一種肺氣道芯片模型，發(fā)現(xiàn)隨培養(yǎng)時間的延長，人氣道平滑肌細胞（Human airway smooth muscle cells，HBSMCs）趨向于呈現(xiàn)出與體內類似的縱向排列的情況。

圖1 肺芯片示意圖［12］Fig.1 Schematic diagram of a lung chip

1.2 腸芯片

口服藥物必須經小腸才能進入血液，腸是吸收代謝的重要器官，許多藥物在腸中發(fā)生首過作用［33-34］。腸芯片通過在體外復制腸絨毛的結構或與基質細胞的共培養(yǎng)來模擬體內腸道細胞的生理微環(huán)境［35］，以維持各種轉運蛋白和代謝酶的表達。2010年，德國Saarland大學的Leonard等［36］建立了一個模擬腸道黏膜炎癥的三維細胞培養(yǎng)模型，人結腸腺癌細胞Caco-2細胞與巨噬細胞和樹突狀細胞共培養(yǎng)狀態(tài)下，炎性細胞因子反應強于單獨培養(yǎng)的Caco-2細胞。2013年，中科院大連化學物理研究所（大連化物所）的Li等［37］在膠原蛋白凝膠層上共培養(yǎng)Caco-2細胞和經甲氨蝶呤誘導后的人結腸腺癌細胞HT29-MTX細胞，凝膠中還摻入了基質細胞（成纖維細胞和免疫細胞），與單獨培養(yǎng)模型相比，跨膜電阻值較低，更接近體內值。2017年，韓國Hongik大學的Choe等［38］設計了一種腸-肝共培養(yǎng)芯片，在動態(tài)共培養(yǎng)條件下表現(xiàn)出細胞色素P450代謝酶活性的顯著增強。2018年，大連化物所的Guo等［16］利用器官芯片模擬人腸道內藥物的代謝（圖2），在涂敷I型膠原蛋白的硝酸纖維素膜上接種Caco-2細胞，融合后的腸上皮細胞保持了緊密連接蛋白ZO-1的持續(xù)表達以及絨毛蛋白、蔗糖酶異麥芽糖酶和堿性磷酸酶基因的高表達。一些研究人員將Caco-2細胞培養(yǎng)在人工制造的膠原絨毛支架上，發(fā)現(xiàn)細胞形成類似于腸道絨毛的三維形狀［39-40］。另外，一些研究中還進行了腸上皮細胞和其他細胞的共培養(yǎng)，如2019年，巴西Brazilian Biosciences National Laboratory的Marin等［41］設計了一種雙層腔室腸-肝微流控芯片，將Caco-2和HT-29兩種細胞混合共培養(yǎng)形成體外腸屏障，腸屏障上跨膜電阻值在21 d內隨細胞分化程度的增大而增加。這些結果均顯示了共培養(yǎng)在腸芯片中對腸功能的促進作用，但與真實的人體相比，腸芯片在吸收和代謝功能方面仍有一定的差距，另外腸道菌群的存在對于腸功能研究也具有非常重要的意義，未來腸芯片在對人體高度仿生方面仍然需要投入更多精力。

圖2 腸芯片示意圖［16］Fig.2 Schematic diagram of an intestinal chip

1.3 肝芯片

肝臟是藥物和其他外源性物質毒性作用的主要靶器官［42］。傳統(tǒng)體外毒理學評價實驗中，肝毒性的評估主要利用二維培養(yǎng)的永生化肝細胞系HepG2和原代肝細胞，這類模型的缺點是代謝活性較低，肝臟特異性功能下降較快［43］，三維培養(yǎng)條件下的肝芯片可模擬體內肝組織的結構和功能。

2016年，美 國 哈 佛 醫(yī) 學 院 的Bhise等［44］將HepG2/C3A細胞嵌入甲基丙烯酸水凝膠中制成球狀體排列在微流控芯片中，可通過檢測特定標志物的變化來評估肝臟毒性。2017年，波蘭華沙理工大學的Zuchowska等［45］利用三維培養(yǎng)的HepG2細胞球體來研究抗癌藥5-氟尿嘧啶（5-FU）的肝細胞毒性，表明肝芯片可用于藥物毒性評估。2018年，澳大利亞莫納什大學的Delalat等［46］利用含有微溝的硅芯片實現(xiàn)肝原代細胞的三維培養(yǎng)，芯片上的肝細胞表現(xiàn)出更高代謝酶活性，細胞色素酶CYP1A2、2E-1、3A-4活性水平以及白蛋白和尿素水平均高于二維細胞培養(yǎng)。2019年，德國海德堡大學的Theobald等［47］利用永生化肝細胞系HepG2和腎小管上皮細胞RPTC構建了肝-腎微流控芯片，維生素D在芯片上能夠代謝活化并對人原髓細胞白血病細胞HL60產生毒性作用，證明芯片上的肝細胞具備一定的代謝功能。

以上這些芯片中模擬器官結構的設計對于芯片上細胞的代謝活性均具有積極的作用，但這些研究只是一種肝細胞的培養(yǎng)，對肝細胞的選擇比較單一。

肝臟中的代謝活動和毒性反應往往由多種細胞參與，非實質細胞的存在對于實現(xiàn)細胞間信號分子的傳導以及肝細胞功能的增強非常重要。一些研究人員在芯片模型中引入非實質細胞（內皮細胞、星狀細胞、庫普弗細胞等），例如，2016年西北農林科技大學的Ma等［48］利用HepG2和非實質細胞HAECs的共培養(yǎng)開發(fā)了模擬肝小葉結構的芯片裝置，肝酶測定結果表明，芯片上細胞能夠保持較高的基礎CYP1A1/2活性和UDP-葡萄糖醛酸轉移酶（UGT）活性，以及較強的藥物代謝能力。2017年，中科院力學研究所的Du等［49］利用肝竇內皮細胞、庫普弗細胞、肝星狀細胞和肝細胞的共培養(yǎng)在體外復制肝竇的結構，發(fā)現(xiàn)另外3種非實質細胞的存在促進了中性粒細胞在肝竇內皮細胞上的聚集。2019年，Draper實驗室的Bale等［50］將原代肝細胞與庫普弗細胞共培養(yǎng)在一種雙層芯片中，肝細胞在7 d的連續(xù)培養(yǎng)中顯示出穩(wěn)定的蛋白分泌和代謝功能。2019年，大連理工大學的Deng等［13］設計了類似的多細胞肝竇結構芯片（圖3），肝細胞保留了細胞色素P4501A1/2和UGT的酶活性，藥物肝毒性的測試結果與經典的原代肝細胞孔板模型結果相似，這類多細胞衍生的肝臟模型為研究藥物肝毒性、藥物-藥物相互作用提供了一種替代方法。

圖3 肝芯片模型［13］Fig.3 A liver chip model

1.4 多器官芯片

多器官微流控芯片將不同器官和組織來源的細胞在芯片上培養(yǎng)，能在體外模仿體內不同器官、組織之間的生理相互作用，在評價組織間相互作用方面具有優(yōu)勢［51］。2015年，德國柏林工業(yè)大學的Maschmeyer等［52］設計了共培養(yǎng)腸、肝、皮膚和腎細胞的多器官芯片，細胞在28天內均保持高活性并能夠自發(fā)形成功能化的結構。2016年，清華大學的Jie等［53］將Caco-2細胞、HepG2細胞、人神經膠質細胞瘤細胞U521分別模擬腸道、肝和膠質母細胞瘤在芯片上進行共培養(yǎng)，在體外成功建立了芯片上藥物吸收和代謝模型。美國中佛羅里達大學的Oleaga等［54］使用無泵重力驅動流體體系將功能性心臟、肝臟、骨骼肌和神經細胞共培養(yǎng)14 d，用于研究4種藥物——阿霉素、阿托伐他汀、丙戊酸和對乙酰氨基酚的毒性作用。2016年，大連化物所的Li等［55］利用多層器官芯片裝置評估不同器官特異性細胞（肝臟細胞、乳腺癌細胞、肺癌細胞和正常胃細胞）中藥物代謝和細胞毒性效應，研究發(fā)現(xiàn)卡培他濱對于腫瘤細胞有較強的細胞毒性，但對正常胃細胞無明顯的細胞毒性，這種體外模型不僅用于評價藥物在不同靶組織上的生物活性，也可用于不同細胞對受試物刺激的毒理學反應研究。2020年，大連理工大學的黃恒順等［56］基于微流控技術構建了腸-肝-乳腺多器官芯片并將其用于藥物的體外代謝動力學-藥物效應動力學（Pharmacokinetics-pharmacodynamics,PK-PD）研究。類似的腸-肝芯片［40］也用來模擬脂肪酸在腸道和肝臟的吸收和積累。

多器官芯片的發(fā)展為未來的“人體芯片”提供了初級模型，但在還原人體復雜度方面的發(fā)展任務依然艱巨。

2 微流控器官芯片在毒理學中的應用

2.1 藥物毒性評估

藥物毒性評估是器官芯片技術的重要應用領域，器官芯片能夠在單個芯片系統(tǒng)中同時實現(xiàn)藥物的代謝和作用過程，為藥物開發(fā)和研究提供高通量平臺，這是二維細胞培養(yǎng)模型和動物模型所不具備的［10］。

藥物引起的肝損傷是影響藥物研發(fā)和使用的最常見原因，肝芯片可作為藥物肝損傷體外評 價 的 有 效 工 具［57］。2012年，法 國Centre de Recherche de Royallieu的Prot等［58］利 用 肝 芯 片 評價對乙酰氨基酚對肝癌細胞的毒性作用，觀察到對乙酰氨基酚處理可引起鈣離子穩(wěn)態(tài)失調、脂質過氧化和細胞凋亡等現(xiàn)象，證明了肝芯片在毒性預測研究方向的潛力。2015年，德國柏林工業(yè)大學的Maschmeyer等［52］設計了一種皮膚、腸、肝和腎共培養(yǎng)的多器官芯片系統(tǒng)，該芯片可以模擬口服藥物在體內的作用方式，在模擬體內藥物作用與毒性方面潛力非常大。2017年，韓國Hongik大學的Lee等［59］在含有肝臟和腫瘤細胞的多器官芯片中測定了木犀草素的抗癌活性，木犀草素經HepG2細胞代謝后對Hela細胞產生抑制作用。

微流控芯片在其他靶器官的藥物毒性研究中也有應用，如用于神經毒性和腎毒性的研究。2014年，美國倫斯勒理工學院的Meli等［60］開發(fā)了用于人類神經干細胞（hNSC）生長和分化的高通量分析的三維細胞微陣列系統(tǒng)，能夠用于篩選不同物質對hNSC的毒性。2013年，美國塔夫斯大學的DesRochers等［61］在三維腎組織模型上比較順鉑、慶大霉素和阿霉素誘導的急性和慢性毒性，與二維細胞培養(yǎng)相比，三維組織培養(yǎng)系統(tǒng)具有能夠長期監(jiān)測細胞毒性的優(yōu)勢，并且對藥物劑量更加敏感。2013年，哈佛大學Ingber研究團隊的Jang等［62］在芯片上培養(yǎng)原代腎上皮細胞用于藥物轉運和腎毒性評估，與常規(guī)培養(yǎng)條件相比，芯片上毒性測試結果更接近體內情況，在臨床前安全性研究的腎臟毒性評估中具有應用潛力。

2.2 環(huán)境毒理學評價

由于環(huán)境污染物對人類的未知不良健康影響，迫切需要對其進行篩選和評估。器官芯片系統(tǒng)可用于環(huán)境毒理學中污染物的毒理學預測和機制研究，目前，已經出現(xiàn)了器官芯片在有機污染物化合物、顆粒物和金屬離子等方面的應用研究。

環(huán)境污染物中的小分子化學物質在體內代謝后對靶器官產生毒性。2012年，法國里昂大學的Shintu等［63］利用微流控芯片與核磁共振氫譜（1H NMR）結合，研究了幾種毒性分子（氨氣、二甲基亞砜、對乙酰氨基酚）在肝臟細胞、腎臟細胞單獨培養(yǎng)以及共培養(yǎng)條件下的器官特異性代謝反應，并確定了這幾種分子暴露和毒性損傷的代謝標志物。2018年，德國海德堡大學的Theobald等［64］提出了一種肺-肝臟芯片模型，用于研究黃曲霉毒素B1（Aflatoxin B1，AFB1）和苯并芘（B[a]P）的生物轉化和毒性作用。2020年，韓國Konyang大學的Dong等［65］在培養(yǎng)人肝細胞的微柱/微孔芯片平臺上研究了沙梨（Pyrus pyrifolia）提取物對典型環(huán)境污染物雙酚A毒性作用的影響，在沙梨提取物存在下雙酚A的毒性降低，雙酚A對HepG2細胞的半數(shù)致死濃度（IC50）從151 μmol/L變?yōu)?51 μmol/L，這可為物質的相互作用研究提供一種新思路。

環(huán)境中顆粒物的暴露也是影響公共健康的重要因素之一。2018年，武漢理工大學的Li等［66］利用纖維素蛋白凝膠作為支架進行了人肺成纖維細胞（HLF細胞）的三維培養(yǎng)，并進行了納米級顆粒物的暴露實驗，結果表明，納米顆粒物（Nano-particulate matter,NPM）與富含蛋白質的液體接觸時形成的“蛋白冠”能夠降低NPM的細胞毒性，刺激HLF細胞的增殖，并可能導致肺纖維化。該結果為研究PM2.5誘導的肺功能受損（尤其是肺纖維化）提供了合適的體外模型。2018年，大連化物所的Zhang等［67］提出了一種共培養(yǎng)人肺上皮細胞和人血管內皮細胞的三維人肺芯片模型，用于模擬人肺的納米顆粒暴露，在納米顆粒暴露（TiO2-NPs和ZnO-NPs）下，分析了上皮細胞和內皮細胞的細胞形態(tài)變化、ROS的產生和凋亡，該芯片能夠實現(xiàn)納米顆粒毒理學影響的預測，可用于環(huán)境安全評估。2019年，武漢理工大學的Li等［68］基于纖維蛋白凝膠支架構建了三維微血管結構，用于研究室內空氣中納米級顆粒物（Airborne nanoscale particles,ANPs）進入血液后對凝血功能的影響，結果表明，ANPs可刺激人血管內皮細胞產生活性氧（Reactive oxygen species,ROS），并進一步導致凝血因子（TF、TM和t-PA）的異常表達，為ANPs導致凝血異常提供了細胞層面上的解釋。

金屬離子也是環(huán)境污染物中的主要毒性物質之一。2019年，臺灣大學的Tan等［69］開發(fā)了一種器官芯片用來評估暴露于金屬銅和鉈誘導的細胞毒性。與傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)的細胞毒性實驗相比，在芯片上可以通過增加剪應力進而增加細胞對金屬暴露的敏感性，為細胞毒性的定量分析提供更為靈敏的平臺。

2.3 煙草制品毒理學評價

卷煙燃吸產生的煙氣作為環(huán)境污染物的來源之一，其體外毒理學研究對于煙草制品危害性評價具有重要意義。相較于傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)模型，器官芯片在煙草制品毒性評估方面具有優(yōu)勢。2018年，東南大學的Zhang等［70］提出了一種可發(fā)生多液體梯度的微流體細胞系統(tǒng)，用于在高通量方式下研究卷煙煙氣有害成分B[a]P誘導的支氣管上皮細胞損傷，結果顯示，暴露后上皮細胞出現(xiàn)明顯的細胞萎縮、細胞骨架解體、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（Caspase-3）活化、活性氧增多、多種炎癥細胞因子（腫瘤壞死因子-α、白介素-6、白介素-8）分泌。這一實驗結果與以往動物實驗和二維體外細胞模型中的結果一致，并且具有高通量的優(yōu)點。之后該課題組又在芯片上共培養(yǎng)了肺泡上皮細胞和微血管內皮細胞，對煙氣中兩種化學成分（B[a]P、煙堿）刺激的多種肺部反應動力學（包括炎癥信號、細胞骨架、組織結構和凋亡）進行了檢測和定量評價［19］。2018年，大連化物所的Wang等［71］在微流控芯片上構建了一種人源誘導多能干細胞（hiPSC）衍生的大腦類器官系統(tǒng)，研究了暴露于煙堿的大腦類器官的細胞凋亡，這種大腦類器官芯片為研究煙堿暴露引起的神經發(fā)育障礙提供了合適的平臺。2017年，菲莫煙草公司的Iskandar等［72］構建了基于氣液界面的人三維鼻黏膜上皮細胞體外模型，用來評估新型煙草制品THS煙草加熱系統(tǒng)2.2（THS2.2）產生的氣溶膠與參比卷煙3R4F產生的煙氣氣溶膠的毒理學影響的差異，發(fā)現(xiàn)在細胞毒性水平、組織形態(tài)變化、促炎因子分泌、纖毛功能受損以及轉錄組和miRNA表達譜紊亂增加等方面，3R4F卷煙煙氣氣溶膠的毒性影響均遠遠大于THS2.2氣溶膠。2019年，菲莫煙草公司的Poussin等［73］利用原代人冠狀動脈內皮細胞建立了芯片上內皮微血管的三維（3D）模型，用3D血管芯片模型來評估新型煙草制品THS2.2和參比卷煙3R4F對單核細胞粘附到內皮微血管的影響，結果表明，與3R4F煙氣氣溶膠相比，THS 2.2氣溶膠對單核細胞-內皮細胞粘附的影響降低，這為研究動脈粥樣硬化的形成機制以及與煙草制品的風險相關性提供了替代性體外模型，同時也為新型煙草制品風險評估提供了新方法。2019年，吉林大學的Hou等［74］利用仿生肺芯片模型對上皮細胞和血管內皮細胞進行動態(tài)的共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)持續(xù)的煙氣暴露可引起肺氣-血屏障的破壞和上皮間充質轉化，證實了信號傳導與轉錄激活因子3（Signal transducer and activator of transcription 3,STAT3）是煙氣引起的炎癥發(fā)生惡性轉變的關鍵作用點，這提示微流控芯片可以作為卷煙煙氣誘發(fā)惡性轉化相關研究的合適平臺。2016年，Ingber研究團隊的Benam等［30］設計的小氣道芯片將呼吸運動模擬和卷煙煙氣暴露相結合，再現(xiàn)了體內的氧化應激反應，并發(fā)現(xiàn)了新的吸煙引起的纖毛病理現(xiàn)象。2018年，鄭州煙草研究院的Liu等［75］設計并制作了一種可實現(xiàn)氣液雙梯度暴露的微流控芯片（圖4a），在瓊脂糖凝膠表面接種人肺腺癌細胞A549并形成氣液接觸界面，下層可形成4個液體梯度（圖4b），上層形成4個氣體梯度（圖4c），利用構建的芯片平臺研究了卷煙煙氣暴露對A549細胞的氧化損傷，檢測了細胞內ROS變化（圖4d）。該芯片不僅實現(xiàn)了基于氣-液界面的細胞煙氣暴露，還能夠產生多個氣體和液體梯度，實現(xiàn)高通量分析，可用于卷煙煙氣的毒性效應評估。

圖4 氣-液雙梯度全煙氣暴露芯片［75］Fig.4 Microfluidic liquid-air dual-gradient chip for whole smoke exposure

3 展望

器官芯片技術可以為體外培養(yǎng)的細胞、組織提供良好的生理環(huán)境，并增強其功能和對毒性物質刺激的敏感性。盡管器官芯片在材料、細胞來源、通量和驗證方面均面臨一些挑戰(zhàn)，但其已在毒理學評估中顯示出了巨大的應用潛力。在未來發(fā)展中，多器官芯片以及“人體芯片”的發(fā)展將成為新的趨勢，開發(fā)“人體芯片”對促進生理健康和藥物篩選研究意義重大。在模擬體內結構的條件下，如何精準模擬體內的微環(huán)境已成為芯片發(fā)展中的挑戰(zhàn)，基于仿生體內微環(huán)境的機制研究將減小因實驗數(shù)據(jù)從動物向人群外推帶來的不確定度，更加直觀地反映疾病風險。

器官芯片技術有可能在煙草制品風險評估研究中發(fā)揮其優(yōu)勢，并替代動物模型和常規(guī)細胞模型，如在卷煙煙氣的肺吸入毒性評價、吸煙相關疾病模型的建立與機制研究以及煙氣成分代謝動力學等研究方面。以往煙草制品風險評估中的毒理學評價通常使用體外二維細胞培養(yǎng)模型或體內動物實驗研究煙草制品的健康影響，由于煙氣氣溶膠的復雜特性以及人體實際吸煙過程中長期低劑量的煙氣成分暴露特點，如何快速、準確、科學地評估煙草制品的健康影響是當前面臨的重要難題和挑戰(zhàn)。通過借助多學科的交叉合作，從材料學、分析化學、生物學、流體力學和生物信息學等領域可能實現(xiàn)突破創(chuàng)新：

（1）遵循“21世紀毒理學”和動物實驗“3R原則”，設計研發(fā)例如肺芯片、肝芯片等單器官芯片和多器官組合芯片，模擬煙氣暴露和代謝的體內微環(huán)境，建立基于器官芯片技術的吸煙相關疾病體外評估模型。

（2）整合器官芯片技術和多組學分析技術，開展煙氣有害成分的快速、高通量代謝動力學研究和生物標志物篩選，闡釋煙草相關疾病的有害結局路徑（AOP），在微納尺度上實現(xiàn)多維度的生命分析。