陳 蘭，何曉莉，游飄雪，王 輝，洪戰(zhàn)英,

（1.福建中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院, 福建 福州 350122；2.海軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系，上海 200433；3.上海市藥物（中藥）代謝產(chǎn)物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200433）

口服給藥是最簡(jiǎn)單的給藥方式，藥物是否適合口服給藥取決于其在胃腸道中的有效吸收，因此，開(kāi)發(fā)能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)口服藥物吸收的方法對(duì)藥物研發(fā)相關(guān)研究具有非常重要的意義。近幾十年來(lái)，為了評(píng)估臨床前開(kāi)發(fā)過(guò)程中的口服藥物吸收，研究人員們已經(jīng)建立了多種藥物腸吸收的研究方法，主要有體外試驗(yàn)法（in vitro）、在體試驗(yàn)法（in situ）和體內(nèi)試驗(yàn)法（in vivo）等。動(dòng)物模型可以模擬整個(gè)有機(jī)體的生理，但動(dòng)物模型在腸道生理學(xué)以及腸道轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)模式和底物特異性方面與人類有很大不同[1]。2004 年，美國(guó)FDA 估計(jì)，92%通過(guò)動(dòng)物試驗(yàn)的藥物未能進(jìn)入市場(chǎng)，原因是動(dòng)物試驗(yàn)沒(méi)有預(yù)測(cè)到的有效性和安全性問(wèn)題。此外，動(dòng)物模型往往具有倫理學(xué)爭(zhēng)議。與動(dòng)物模型相比，體外培養(yǎng)細(xì)胞模型具有操作簡(jiǎn)便、成本低、無(wú)倫理問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)[2],研究人員開(kāi)發(fā)了Boyden Chamber 和Transwell 等模型來(lái)模擬腸道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能。然而，傳統(tǒng)的體外培養(yǎng)細(xì)胞模型通常缺乏體內(nèi)特性，例如，流體流動(dòng)、周期性蠕動(dòng)、宿主與微生物之間的串?dāng)_以及組織之間的串?dāng)_[3]。隨著微制造和3D 打印技術(shù)的發(fā)展，腸芯片（gut-on-a-chip, GOC）為體外研究腸道疾病提供了新方法[4]。基于腸道功能，腸芯片引入了具有不同部件的模塊，例如，用于流體流動(dòng)的注射泵和用于機(jī)械變形的壓力系統(tǒng)[5]，用于模擬一些腸道功能，使其更具生理相關(guān)性。腸芯片突破了傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的局限性，具有體積小、高度集成化和高通量等特點(diǎn)。本文綜述了目前國(guó)內(nèi)外腸芯片模型以及與腸道相關(guān)的多器官耦合芯片模型的研究進(jìn)展，介紹了基于微流控芯片的腸道模型在疾病建模、藥物吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)方面的應(yīng)用。

1 腸道基本結(jié)構(gòu)與功能

1.1 小腸的結(jié)構(gòu)

腸道是人體重要的消化器官，是從胃幽門至肛門中最長(zhǎng)的一段，主要器官功能是進(jìn)行消化、吸收、分泌和免疫[6]。腸上皮是人體最大的黏膜表面，覆蓋約400 m2的表面積，單層細(xì)胞組織形成隱窩和絨毛結(jié)構(gòu)[7]。隱窩和絨毛是腸道基本的、具有自我更新功能的結(jié)構(gòu)單位。人體小腸和大腸體內(nèi)腸隱窩的實(shí)際深度分別為135 μm 和400 μm，小腸絨毛的高度為600 μm[8]。隱窩和絨毛分別包括干細(xì)胞增殖和分化細(xì)胞區(qū)域。在腸上皮的分化絨毛區(qū)域中，發(fā)現(xiàn)了3 種主要類型的分化腸上皮細(xì)胞（IEC）：腸上皮細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和腸內(nèi)分泌細(xì)胞[9]。腸上皮細(xì)胞是腸上皮中最常見(jiàn)的細(xì)胞，負(fù)責(zé)消化和吸收腸腔中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[10]。杯狀細(xì)胞分泌的黏液在腸上皮上維持一層連續(xù)的黏液，提供保護(hù)屏障并有助于潤(rùn)滑腸道內(nèi)壁[11]。腸內(nèi)分泌細(xì)胞產(chǎn)生多種激素并調(diào)節(jié)許多不同的功能[12]。

1.2 腸道屏障

腸道屏障是機(jī)體內(nèi)部和外部之間的屏障，允許營(yíng)養(yǎng)素和液體的吸收，同時(shí)阻止有毒、有害物質(zhì)的侵入，對(duì)人體的健康起著重要作用。腸道屏障分為四類：機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、生物屏障和免疫屏障[7]。機(jī)械屏障又稱為物理屏障，它能有效阻止有害物質(zhì)，如細(xì)菌、毒素等透過(guò)腸黏膜進(jìn)入機(jī)體的其他部位造成腸道損傷引發(fā)各類疾病，是人體腸道的第一道防線[13]。物理屏障主要通過(guò)細(xì)胞間的緊密連接復(fù)合構(gòu)成，維持腸上皮細(xì)胞的完整性和滲透性[14]。化學(xué)屏障由胃腸道各種分泌物包括黏液、胃酸以及各種消化酶、溶菌酶等組成[15-16]。生物屏障是腸黏膜屏障的重要組成部分，由腸道微生物群附著在腸黏膜層上形成的一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的微生物屏障[15]。免疫屏障由腸道相關(guān)淋巴組織及腸上皮固有層中的免疫細(xì)胞組成，如潘氏細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等，可分泌各種抗菌肽、IgG 和細(xì)胞因子，維持腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)[17]。

1.3 腸道吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)與體內(nèi)外腸道模型

藥物在胃腸道黏膜上皮細(xì)胞的吸收過(guò)程是藥物在生物膜兩側(cè)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，藥物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)方式主要分為被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)等?？诜幬镌谀c道的吸收不僅是簡(jiǎn)單的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，還通過(guò)腸道上皮細(xì)胞的藥物轉(zhuǎn)運(yùn)體來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，轉(zhuǎn)運(yùn)體參與的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)在藥物吸收過(guò)程中起關(guān)鍵作用[18]。根據(jù)底物的轉(zhuǎn)運(yùn)方向，可以將轉(zhuǎn)運(yùn)體分為攝入型轉(zhuǎn)運(yùn)體和外排型轉(zhuǎn)運(yùn)體兩大類，它們控制著腸黏膜屏障的通透性，影響了藥物的生物利用度[19]。

為了研究腸道屏障功能及藥物吸收特征，研究人員開(kāi)發(fā)了各種體外和離體腸道吸收模型。將細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）包被腸上皮細(xì)胞置于Transwell 培養(yǎng)裝置中，常用于研究腸道屏障功能或藥物吸收。但這種2D 培養(yǎng)模式?jīng)]有介質(zhì)流動(dòng)或施加機(jī)械應(yīng)變，不能再現(xiàn)腸細(xì)胞和組織形態(tài)或重建其他關(guān)鍵的腸分化功能，腸絨毛無(wú)法分化，腸道分泌功能受到抑制[20]。為實(shí)現(xiàn)3D 腸道細(xì)胞模型的建立，研究人員使用不同支架包埋細(xì)胞。Li 等[21]使用膠原凝膠作為支架，將共培養(yǎng)的Caco-2/HT29-MTX 單層細(xì)胞和兩種基質(zhì)細(xì)胞（成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞）合并到膠原凝膠中，與Caco-2 細(xì)胞的單層培養(yǎng)相比，構(gòu)建的3D 模型顯示出更多的生理相關(guān)特征。研究表明，使用膠原凝膠作為支架的3D 腸道模型可能成為研究腸道內(nèi)藥物轉(zhuǎn)運(yùn)的有前景的工具。但其也有一定的局限性，在長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)過(guò)程中，由于膠原蛋白降解，細(xì)胞穿透基質(zhì)形成多層細(xì)胞，導(dǎo)致Caco-2細(xì)胞在膠原支架上的培養(yǎng)，絨毛高度縮短[22]。另外一些離體模型，如外翻囊模型[23]、Ussing 腔模型[24]和InTESTineTM[25]在生理學(xué)上高度相關(guān)，但這些模型的吞吐量和壽命往往有限（最長(zhǎng)可達(dá)6～8 h）。

2 基于微流控芯片的腸道吸收模型

常規(guī)的腸道體外模型缺乏對(duì)組織結(jié)構(gòu)的真實(shí)模擬、缺乏微生物群，以及腸道功能的復(fù)雜性，例如蠕動(dòng)和流動(dòng)。隨著微流控技術(shù)的飛速發(fā)展，基于微流控的腸芯片成為了模擬人體胃腸道的有效途徑。如圖1 所示，腸道微環(huán)境的關(guān)鍵因素包括腸道的3D 絨毛結(jié)構(gòu)、蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)和腸屏障功能等[26]。為了真實(shí)地模擬人體腸道，腸芯片模型應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下功能：①通過(guò)體外拉伸細(xì)胞培養(yǎng)膜來(lái)模擬蠕動(dòng)樣運(yùn)動(dòng)；②通過(guò)控制流體來(lái)再現(xiàn)腸道復(fù)雜的3D 絨毛結(jié)構(gòu)；③通過(guò)控制微流體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料的滲透性來(lái)產(chǎn)生生理氧梯度：④通過(guò)多細(xì)胞共培養(yǎng)的方式，研究腸道與其他組織或腸道-微生物之間的互作關(guān)系。

圖1 腸道微環(huán)境關(guān)鍵特征[26]

2.1 腸道芯片設(shè)計(jì)

在過(guò)去的10 年中，腸道芯片平臺(tái)已經(jīng)從簡(jiǎn)單的2D 結(jié)構(gòu)發(fā)展到包括更全面的功能，例如絨毛結(jié)構(gòu)、腸道蠕動(dòng)、氧梯度，甚至免疫系統(tǒng)。在腸道器官芯片發(fā)展的過(guò)程中，腸芯片的類型主要分為兩種：二維夾膜腸芯片和三維絨毛腸芯片。

二維夾膜腸芯片最常見(jiàn)的設(shè)備結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)通道（上部和下部），由半透膜（例如聚碳酸酯或聚酯材料）隔開(kāi)，在膜上生長(zhǎng)的腸上皮細(xì)胞形成單層上皮的頂端和基底外側(cè)，這種簡(jiǎn)單的2D 模型通常用于評(píng)估藥物和營(yíng)養(yǎng)吸收的體外藥動(dòng)學(xué)特性。Kimura 等[27]開(kāi)發(fā)了一種集成泵式循環(huán)裝置和光學(xué)檢測(cè)功能的微流控模型，該模型由被膠原蛋白涂層的半透膜分隔的兩層通道組成，以抗癌藥物環(huán)磷酰胺的滲透評(píng)價(jià)其吸收功能。Shah 等[28]設(shè)計(jì)了一種基于微流控芯片的人類-微生物共培養(yǎng)模型“人與微生物交互系統(tǒng)”（HuMiX），見(jiàn)圖2。培養(yǎng)基灌注微腔室與人腸上皮細(xì)胞培養(yǎng)微腔室之間用微米多孔膜（孔徑1 μm）隔開(kāi)，人腸上皮細(xì)胞培養(yǎng)微腔室與微生物培養(yǎng)微腔室之間用納米多孔膜（孔徑50 nm）隔開(kāi)，每個(gè)微腔室有獨(dú)立的進(jìn)出口，該模型還集成了光電二極管用于監(jiān)測(cè)溶解氧的濃度。2D 腸道芯片模型可以模擬腸道細(xì)胞上的流體剪切應(yīng)力，以減少對(duì)細(xì)胞和培養(yǎng)基的需求，但該模型仍缺乏模擬腸道組織關(guān)鍵特征的功能。

圖2 腸道芯片結(jié)構(gòu)示意圖

三維絨毛結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于構(gòu)建體外腸道模型至關(guān)重要，腸道內(nèi)的絨毛微結(jié)構(gòu)不僅是腸上皮層的生理屏障，更重要的是增加了腸表面的吸收面積。雖然有報(bào)道稱在平面基質(zhì)上自發(fā)形成絨毛，但缺乏對(duì)絨毛尺寸和分布的控制，而且重復(fù)性差。微型3D 支架的集成已經(jīng)成為更好地再現(xiàn)人類腸道結(jié)構(gòu)的解決方案。Shim 等[29]植入了膠原蛋白支架，以重現(xiàn)腸道組織三維絨毛結(jié)構(gòu)，絨毛高度為300 μm，絨毛間距為150 μm。3D 條件下Caco-2 細(xì)胞增殖良好，均能形成腸屏障。此外，將細(xì)胞置于灌注培養(yǎng)的3D 培養(yǎng)條件下，可顯著提高細(xì)胞的代謝活性。Costello 等[30]利用激光雕刻翻模的技術(shù)制作了一種腸道芯片，在這種芯片中細(xì)胞依附于所制作的絨毛生長(zhǎng)；但是激光雕刻在模具的制作中有一定局限性。激光雕刻利用激光垂直切割平面基底，制作出的模型多為柱狀結(jié)構(gòu)，較難制作出更為復(fù)雜的3D 模型。張憶恒等[31]通過(guò)3D 打印技術(shù)與表面微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移方法，成功地模擬了更為復(fù)雜的腸道絨毛。

2.2 流體控制

在腸道中，剪切力在細(xì)胞分化中起著重要作用，包括增強(qiáng)黏液產(chǎn)生、增加線粒體活性和提高藥物吸收[32]。2D 培養(yǎng)時(shí)細(xì)胞保持在靜態(tài)條件下，動(dòng)態(tài)參數(shù)不容易模擬。在微流控裝置中，流體流動(dòng)可以通過(guò)蠕動(dòng)泵、注射器泵、重力或靜水壓力以及壓力發(fā)生器產(chǎn)生，模擬體內(nèi)液體流動(dòng)的范圍及其在細(xì)胞表面的相關(guān)剪切應(yīng)力。與靜態(tài)條件相比，在連續(xù)流動(dòng)和循環(huán)應(yīng)變下，Caco-2 細(xì)胞經(jīng)歷細(xì)胞分化、極化、絨毛形成、屏障完整性維持、黏液產(chǎn)生等。GOC器件的剪切應(yīng)力一般取值在0.01 ～ 0.06 dyn/cm2之間，大多數(shù)模型中的剪切應(yīng)力是使用蠕動(dòng)泵引入的，但這些裝置體積龐大且吞吐量低。Tan 等[33]用2 個(gè)微型蠕動(dòng)泵克服了低吞吐量的限制，每個(gè)泵有8 個(gè)泵管路，允許流體通過(guò)16 個(gè)微通道輸送，通過(guò)測(cè)量微流控芯片中培養(yǎng)的Caco-2 細(xì)胞氨肽酶活性評(píng)估其生長(zhǎng)和分化速度，與第21 天的靜態(tài)培養(yǎng)的Transwell 系統(tǒng)相比，微流控裝置中的Caco-2 細(xì)胞在第5 天顯示出更高的氨肽酶活性。盡管該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、高通量的特點(diǎn)，但這些模型在重現(xiàn)定義的流速方面是有限的。Kim 等[34]開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有流體流動(dòng)和施加循環(huán)機(jī)械應(yīng)變的腸芯片模型。該裝置由兩個(gè)微通道組成，兩側(cè)有兩個(gè)空心腔室，在空心腔室中施加真空，使分離通道的多孔膜單向延伸。該研究發(fā)現(xiàn)，流體流動(dòng)和周期性機(jī)械應(yīng)變的結(jié)合導(dǎo)致了褶皺的形成，這些褶皺再現(xiàn)了腸絨毛的結(jié)構(gòu)，并且該系統(tǒng)中使用的Caco-2 細(xì)胞顯示出極化柱狀形態(tài)，大小與體內(nèi)上皮細(xì)胞相似。

2.3 機(jī)械力刺激

在消化過(guò)程中，蠕動(dòng)是由平滑肌與腸神經(jīng)系統(tǒng)協(xié)同作用，在整個(gè)胃腸道內(nèi)產(chǎn)生的食物的不自主的、周期性的推進(jìn)。蠕動(dòng)有助于食物消化、營(yíng)養(yǎng)吸收和腸排空，但也對(duì)上皮產(chǎn)生剪切力和徑向壓力。研究表明，機(jī)械拉伸對(duì)于準(zhǔn)確模擬人體腸道生理、允許細(xì)胞分化和防止細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)至關(guān)重要[35]。Jing 等[36]提出并構(gòu)建了一種基于循環(huán)變化流體壓差原理的新型蠕動(dòng)腸模型，通過(guò)使用多通道、計(jì)算機(jī)控制的氣動(dòng)泵同時(shí)實(shí)現(xiàn)了腸道微系統(tǒng)的流體流動(dòng)和蠕動(dòng)，考察了蠕動(dòng)和流體流動(dòng)對(duì)該裝置腸上皮細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的影響。結(jié)果表明，微流體裝置中的周期性蠕動(dòng)加上流體流動(dòng)顯著促進(jìn)了腸上皮細(xì)胞的增殖以及糖萼和微絨毛的分泌。此外，腸上皮細(xì)胞的屏障、吸收和代謝功能以及細(xì)胞分化也受到芯片上周期性蠕動(dòng)和流體流動(dòng)的影響。Fang 等[37]開(kāi)發(fā)另一款包含200 個(gè)依次連接的橫向微孔陣列芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)微孔周圍的氣道內(nèi)部氣壓，從而實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)類器官的周期性收縮與舒張，模擬腸道的蠕動(dòng)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在蠕動(dòng)環(huán)境中長(zhǎng)成的人結(jié)腸腫瘤類器官具有更均勻的尺寸分布，對(duì)該納米膠束的攝入量顯著降低。Grassart 等[38]通過(guò)循環(huán)拉伸模擬腸道蠕動(dòng)，研究蠕動(dòng)狀態(tài)是否會(huì)影響人類志賀菌在3D 結(jié)腸上皮內(nèi)的傳染性。研究表明，與非機(jī)械刺激條件相比，拉伸力（蠕動(dòng)）的應(yīng)用顯著提高了約50%的感染率，蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了細(xì)菌入侵。

2.4 氧氣梯度產(chǎn)生

腸上皮富含含氧血液，對(duì)于增強(qiáng)絨毛的營(yíng)養(yǎng)吸收和加速針對(duì)病原體的免疫反應(yīng)至關(guān)重要。人體腸道是多種微生物群落的宿主，腸道微生物群在腸道的消化和吸收功能中發(fā)揮著重要作用[39]。HuMiX實(shí)現(xiàn)了腸道模型中氧氣濃度梯度的變化，允許Caco-2 細(xì)胞和厭氧菌之間的共培養(yǎng)，在體內(nèi)重現(xiàn)轉(zhuǎn)錄、代謝和免疫特征[28]。Shin 等[40]開(kāi)發(fā)了一種缺氧-氧氣接口（AOI 芯片），將缺氧培養(yǎng)基從細(xì)菌生長(zhǎng)的上通道灌注到腸細(xì)胞生長(zhǎng)的下通道。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上皮細(xì)胞層的存在和管腔微通道中的流量依賴性調(diào)節(jié)對(duì)于在AOI 芯片中產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)垂直氧梯度是必要且充分的。另一個(gè)包含高分辨率溶解氧監(jiān)測(cè)的GOC 模型是腸芯片，它有6 個(gè)傳感器盤，在模型的頂部和底部固定有氧淬滅熒光顆粒，允許實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧水平。這種GOC 模型有一個(gè)中央?yún)捬跏?，?jīng)常用飽和的5% CO2沖洗，維持上腔內(nèi)低氧水平。使用這款厭氧腸道芯片，Jalili-Firoozinezhad等[41]也證明厭氧條件比好氧條件在生理上能保持更高的微生物多樣性。表1 概括了常見(jiàn)的腸道吸收芯片模型及其應(yīng)用。

表1 腸芯片模型的主要組成和應(yīng)用

3 腸道芯片模型的應(yīng)用

3.1 腸炎模型的構(gòu)建

腸炎是一種在發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都具有高發(fā)病率的疾病，炎癥性腸?。↖BD）已成為全球性問(wèn)題，主要包括潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病兩大類。研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加細(xì)胞因子混合物，例如，白介素-1β、腫瘤壞死因子-α 和干擾素γ[46-47]，或通過(guò)與外周血單核細(xì)胞共培養(yǎng)可以在體外模擬腸道炎癥[35]。

Kim 等[35]在腸芯片中引入致病性大腸桿菌和人單核巨噬細(xì)胞構(gòu)建了相應(yīng)的腸炎病理模型，并且觀察到黏液層損傷、屏障損傷及炎性因子大量表達(dá)等炎癥反應(yīng)。之后Shin 等[48]又通過(guò)在腸腔引入葡聚糖硫酸鈉（DSS），首次在體外構(gòu)建了DSS 腸炎損傷及恢復(fù)模型，利用該模型作者證明了氧化應(yīng)激反應(yīng)是炎癥損傷的前提。研究發(fā)現(xiàn)蠕動(dòng)的微流體模型可以重現(xiàn)在小鼠模型中相應(yīng)的結(jié)腸炎，并能觀察到的屏障完整性和絨毛結(jié)構(gòu)的破壞。使用來(lái)自致病性大腸桿菌的脂多糖激活單核細(xì)胞，Caco-2 細(xì)胞被誘導(dǎo)分泌促炎細(xì)胞因子，進(jìn)而損害屏障完整性，從而模仿IBD 病理學(xué)特征。此外，促炎信號(hào)可以促進(jìn)中性粒細(xì)胞的募集，從而進(jìn)一步加劇腸道損傷。重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)DSS 暴露前給予益生菌可以維持腸道屏障，而在DSS 后添加細(xì)菌時(shí)，腸道屏障功能會(huì)喪失[49]。這些結(jié)果表明，利用體外腸芯片建立腸炎病理模型，可以為腸炎病理機(jī)制研究及其治療藥物篩選提供更接近體內(nèi)腸道環(huán)境的研究平臺(tái)。

3.2 藥物吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)

與傳統(tǒng)體外腸道模型相比，腸芯片具有高度還原人體腸道微環(huán)境、連續(xù)的液體流動(dòng)和高通量篩選的優(yōu)勢(shì)[50]。Imura 等[42]開(kāi)發(fā)了一種基于微流控芯片的模擬腸道的系統(tǒng)，該芯片由載玻片、半透膜和PDMS 組成。以熒光測(cè)定結(jié)果評(píng)價(jià)藥物滲透性試驗(yàn)，結(jié)果顯示環(huán)磷酰胺能滲透腸屏障，其滲透系數(shù)較高，而路西法黃不能在腸壁吸收，其滲透系數(shù)較低。這些結(jié)果與傳統(tǒng)方法的結(jié)果一致，證明了該款芯片評(píng)估藥物吸收的可行性。

Kulthong 等[51]分別使用傳統(tǒng)的Transwell（靜態(tài)）和腸芯片（動(dòng)態(tài)）模型，比較高滲透性化合物（安替比林、酮洛芬和地高辛）和低滲透性化合物（阿莫西林）的轉(zhuǎn)運(yùn)，并使用HPLC 或LC-MS 測(cè)定這些化合物在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)果。結(jié)果顯示，相對(duì)于靜態(tài)條件，腸芯片的藥物攝取較低，其滲透性值與生物制藥分類系（BCS）一致。同樣，在接種Caco-2 細(xì)胞的微流體裝置中，幾種化合物（姜黃素、甘露醇、葡聚糖、咖啡因和阿替洛爾）的吸收率與體內(nèi)吸收的研究數(shù)據(jù)相當(dāng)。

抗癌藥物7-乙基-10-羥基喜樹(shù)堿（SN-38）是伊立替康經(jīng)羧酸酶轉(zhuǎn)換后的活性代謝物，其抑制拓?fù)涿涪竦幕钚赃h(yuǎn)大于伊立替康，但其具有低水溶性和低跨黏膜通透性的缺點(diǎn)。研究人員發(fā)現(xiàn)將其合成為親脂性前體藥物能解決低口服生物利用度問(wèn)題。Pocock 等[52]開(kāi)發(fā)了一款基于微流體的腸道芯片（IOAC）模型，該模型可用于研究親脂性前藥的結(jié)構(gòu)-滲透性的關(guān)系（見(jiàn)圖3）。IOAC 模型利用外部機(jī)械力作用，誘導(dǎo)上皮細(xì)胞單層產(chǎn)生特異性分化，使細(xì)胞表面呈現(xiàn)微絨毛表達(dá)起伏形態(tài)的屏障功能，這比傳統(tǒng)的Transwell 模型更具生物相似性。用不同鏈長(zhǎng)和不同分子位置的脂肪酸酯修飾SN-38，觀察到SN-38 前藥溶解度與滲透性系數(shù)之間有良好的相關(guān)性。論證了模仿腸道上皮關(guān)鍵特征的IOAC模型在篩選親脂性前藥方面具有顯著潛力[52]。

圖3 IOAC 裝置及對(duì)難溶SN38 和前藥的體外滲透系數(shù)與計(jì)算的油-水分配系數(shù)比較[52]

4 結(jié)論和展望

近年來(lái)，腸道芯片模型在芯片設(shè)計(jì)、微環(huán)境、微流體操控和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，為胃腸道疾病機(jī)制研究和個(gè)體化治療的發(fā)展提供了新的模型。但該技術(shù)本身仍然面臨許多挑戰(zhàn)。

腸上皮細(xì)胞的來(lái)源對(duì)于腸芯片的研究至關(guān)重要，Caco-2 是目前應(yīng)用最廣泛的模擬腸上皮屏障的細(xì)胞系，但Caco-2 細(xì)胞缺乏黏液生成層，很難控制其分化[53]。此外，Caco-2 細(xì)胞表現(xiàn)出與人類腸道組織不同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)[54]。因此，腸芯片還需要進(jìn)一步研究，以確保上皮細(xì)胞系的代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性與在體內(nèi)觀察到的相似。盡管微流控腸芯片模型模擬了人類腸道的許多不同表型和反應(yīng)，但缺乏在某些疾病中發(fā)揮重要作用的特征。例如，平滑肌細(xì)胞表達(dá)Toll 樣受體，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)膠質(zhì)源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的產(chǎn)生來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)元的完整性。因此，未來(lái)的腸道芯片模型構(gòu)建中應(yīng)考慮更多因素，例如肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞[20]，使得模型具有更多的腸道特征和功能，更接近真實(shí)的生理環(huán)境。腸芯片研究的另一個(gè)挑戰(zhàn)是材料的選用。盡管PDMS 在微流控器官裝置制備方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但PDMS 可能吸附介質(zhì)中存在的小分子、藥物或其他熒光標(biāo)記物，從而降低溶質(zhì)分子濃度的重現(xiàn)性[55]。為了克服這一點(diǎn)，PDMS 及其替代聚合物（例如聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物）的表面改性或基于ECM 的材料更適用于預(yù)測(cè)藥物生物利用度或吸收的研究[20]。目前，水凝膠廣泛應(yīng)用于腸道微流控模型，可以提供類似于體內(nèi)細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)相互作用的機(jī)械和生化環(huán)境，促進(jìn)類組織結(jié)構(gòu)的形成[55]。但其同時(shí)存在一些問(wèn)題，如不穩(wěn)定、易降解等。因此在未來(lái)的腸芯片研究中，尋找開(kāi)發(fā)更優(yōu)的PDMS替代材料也是非常有必要的。