器官芯片是什么?与类器官、3D细胞培养的区别
发布时间：
2026-07-29 15:13
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器官芯片概述
1.器官芯片的定义
器官芯片是一种创新性的微型生理系统，它以人体细胞为基本构建单元，能够高度模拟人体器官的功能。这一技术的核心在于通过微流控芯片技术，在微米尺度的芯片上构建出微型的生理环境。器官芯片内部包含有活的人体细胞，这些细胞被精准地种植在特定的微结构中，并置于一个可以控制流体流动、营养物质供应以及废物清除的环境中。
与传统的研究方法相比，器官芯片有着无可比拟的优势。它能够更真实地再现人体内器官的复杂结构和功能，比如模拟心脏的跳动、肝脏的代谢等。这得益于其在微米级别上对细胞生长环境的精细调控，使得细胞能够在芯片上呈现出与体内相似的生物学行为。器官芯片不仅能够模拟单一器官的功能，还可以通过集成多个不同器官的芯片，构建出更为复杂的人体生理系统，从而更全面地研究药物在人体内的作用机制和毒性反应，为生物医学研究提供了全新的平台。
2.器官芯片的发展历程
器官芯片技术的发展历程充满创新与突破。早在21世纪初，相关概念便已提出。当时科学家们开始设想能否在芯片上模拟人体器官的功能，以解决传统动物实验和体外细胞培养在药物研发等方面的局限性。随着微流控技术和生物材料科学的快速发展，这一设想逐渐成为可能。
在过去的十几年里，全球众多科研机构和企业纷纷投入大量资源进行器官芯片技术的研发。各种模拟不同器官功能的芯片不断涌现，如心脏芯片、肝脏芯片、肾脏芯片等。这些芯片在技术上不断成熟，从最初的简单功能模拟发展到能够模拟复杂的生理病理过程。2025年4月，美国FDA发布指南，逐步淘汰动物试验，转而采用类器官和器官芯片系统，进一步推动了器官芯片技术的发展，使其在生物医学领域的应用前景更加广阔。
3.器官芯片的应用领域
器官芯片在多个领域都有着极为重要的应用价值。在药物研发方面，它能够模拟人体器官对药物的反应，为药物筛选提供更精准的平台。相较于传统的动物实验和体外细胞培养，器官芯片能更真实地反映药物在人体内的药效和毒性，提高了药物研发的成功率，缩短了研发周期，降低了研发成本。
在疾病模型构建上，器官芯片可通过模拟特定疾病的病理过程，帮助研究人员深入理解疾病的发病机制。例如构建出模拟阿尔茨海默病的脑部器官芯片，研究人员可以更直观地观察神经元在疾病状态下的变化，为寻找治疗药物提供新的线索。
毒性测试也是器官芯片的重要应用领域之一。它能够模拟药物或有害物质对人体器官的毒性作用，评估其安全性和潜在风险。这对于保障药品和化学品的安全性具有重要意义，可以有效减少对人体试验的依赖，降低试验风险。器官芯片的应用不仅推动了生物医学研究的进步，也为人类健康事业的发展提供了新的工具和方法。
类器官概述
1.类器官的定义
类器官，是通过干细胞培养形成的具有器官部分结构和功能的组织。简单来说，类器官就是利用胚胎干细胞或成体干细胞，在特定的3D体外微环境中培养出的3D细胞培养物。它们与人体器官有着相似的组织学特征，能部分重现器官的生理功能。
类器官的概念起源于干细胞研究，早期干细胞培养主要是形成二维细胞层。随着技术发展，研究人员开始尝试在三维环境中培养干细胞，以更好模拟体内器官结构和功能。如今，已成功培养出多种类器官，如肠道、脑、肝脏等。这些类器官能模拟目标组织或器官的遗传和表观特征，在器官发育、精准医疗、再生医学、药物筛选等领域有广泛应用前景。2013年，类器官被《科学》杂志评为年度十大技术，2018年初又被《自然·方法》评为2017年度方法。
2.类器官的培养方法
类器官的培养需要特定的干细胞类型、培养条件和关键技术。干细胞类型主要有胚胎干细胞和成体干细胞，胚胎干细胞具有全能性，可分化成各种细胞类型，但存在伦理争议；成体干细胞如诱导多能干细胞（iPSCs），可从患者自身细胞诱导而来，伦理问题小，且能避免免疫排斥。
培养条件方面，需要提供适宜的3D微环境，如基质胶、水凝胶等，以模拟体内细胞外基质的结构和功能。此外还需添加生长因子、细胞因子等信号分子，调控干细胞的增殖和分化。氧气、二氧化碳浓度、温度、pH值等物理化学因素也要严格控制在适宜范围。
关键技术在类器官培养中至关重要，包括干细胞的分离与鉴定、3D培养体系的建立、培养条件的优化等。随着基因编辑技术的发展，如CRISPR/Cas9系统，还可对干细胞进行基因修饰，构建特定基因突变的类器官模型，以研究基因与疾病的关系。
3.类器官的应用场景
在疾病研究方面，类器官可模拟疾病的病理过程，帮助研究人员深入理解发病机制。例如利用患者来源的iPSCs构建出阿尔茨海默病脑类器官，观察神经元病变，为寻找治疗药物提供线索。
药物筛选领域，类器官能更准确地预测药物对人体的药效和毒性。针对肿瘤患者，可从其肿瘤组织中培养出类器官进行药筛，预测患者对药物的反应，指导个性化用药，降低药物副作用和耐药风险。
再生医学中，类器官为器官移植提供了新思路。通过培养与患者基因型匹配的类器官，未来有望将其移植到患者体内，修复或替代受损器官，解决器官短缺和免疫排斥问题。类器官在多个领域的广泛应用，为生物医学研究和治疗带来了新的机遇和希望。
3D细胞培养概述
1.3D细胞培养的定义
3D细胞培养是一种在人工创造的环境中让生物细胞能够在所有三维空间中生长的技术，使细胞能够在载体的三维立体空间结构中迁移、生长，最终构成三维的细胞载体复合物。在这种培养方式下，细胞可以像在体内一样向各个方向生长，呈现出与体内生长方式相似的状态。
相较于传统的二维细胞培养，3D细胞培养能更好地模拟体内复杂的组织结构和细胞生长环境。在二维培养中，细胞通常在平板等平面上以单层形式生长，无法完全展现细胞在三维空间中的生物学行为。而3D细胞培养通过模拟体内细胞外基质的复杂结构，为细胞提供了更接近生理状态的生长条件，使细胞能够更好地保持其原有的形态、功能和生物学特性。这种培养技术不仅保留了体内细胞微环境的物质及结构基础，还能展现出细胞培养的直观性和条件可控性优势，为生物医学研究提供了更真实、更可靠的细胞模型。
2.3D细胞培养的技术方法
在3D细胞培养中，支架材料是构建三维培养环境的关键要素之一。常见的支架材料包括天然材料如胶原蛋白、纤维蛋白等，以及合成材料如聚乳酸、聚己内酯等。这些材料能为细胞提供支撑和生长空间，并模拟体内细胞外基质的物理和化学性质。
培养体系方面，需要为细胞提供适宜的3D微环境，如基质胶、水凝胶等。这些培养体系能够模拟体内细胞外基质的结构和功能，为细胞生长提供必要的机械支持和信号传导。此外，还需要添加生长因子、细胞因子等信号分子，以调控细胞的增殖和分化。同时，氧气、二氧化碳浓度、温度、pH值等物理化学因素也需严格控制在适宜范围。
操作技术上，3D细胞培养涉及细胞接种、培养条件优化、样品收集等多个步骤。细胞接种时要将细胞均匀地分布在支架材料或培养体系中，保证细胞能够充分生长。培养过程中需定期观察细胞生长状态，及时调整培养条件。样品收集时则要根据实验目的，采用合适的方法获取所需的细胞或组织样本。基因编辑技术如CRISPR/Cas9系统也可用于对细胞进行基因修饰，构建特定基因突变的细胞模型，以研究基因与疾病的关系。
3.3D细胞培养的应用范围
在药物测试领域，3D细胞培养能够提供更接近人体真实生理环境的细胞模型，使药物测试结果更具预测性和可靠性。通过构建不同器官或组织的3D细胞模型，可以评估药物对特定细胞类型或组织的影响，预测药物的药效和毒性，从而加速药物研发进程，降低研发成本。
组织工程中，3D细胞培养为组织构建和器官再生提供了新的方法。利用3D细胞培养技术，可以结合支架材料和种子细胞，在体外构建出具有特定形状和功能的组织或器官，如皮肤、骨骼、软骨等。这些构建的组织或器官可用于移植治疗，为解决器官短缺和移植排斥等问题提供了新的思路。
毒理学研究中，3D细胞培养可用于评估化学物质或药物对细胞和组织的毒性作用。通过观察细胞在3D培养环境中的生长状态、代谢活性等指标，可以判断待测物质的毒性大小和毒性机制，为保障化学品和药物的安全性提供重要依据。3D细胞培养的应用不仅推动了生物医学研究的进步，也为药物研发、组织工程和毒理学等领域的发展带来了新的机遇和挑战。
器官芯片与类器官、3D细胞培养的区别
1.结构与功能模拟程度
器官芯片在结构与功能模拟上表现卓越。它借助微流控技术，在微米尺度芯片上构建微环境，能精准模拟器官复杂结构和动态功能，如心脏芯片可模拟心肌收缩与血液流动，肝脏芯片能模拟代谢与解毒。器官芯片可集成多种细胞类型，构建多器官系统，更全面模拟人体生理病理过程。
类器官主要通过干细胞培养形成，虽能部分重现器官组织结构与功能，如肠道类器官有隐窝和绒毛结构，但受培养条件限制，难以完全模拟器官复杂血管网络和动态交互，其功能模拟程度相对有限，多聚焦于特定组织或器官局部功能。
3D细胞培养在三维空间提供更接近体内生长环境，使细胞保持较好生物学特性，可模拟简单组织结构和部分功能，如构建皮肤组织模型，但与器官芯片和类器官相比，其结构和功能模拟的复杂度和真实性仍有差距。
2.培养条件与技术要求
器官芯片培养条件和技术要求极为严苛。它需高度精密的微流控设备来精确控制流体、营养和废物，以模拟体内生理流动，还需多种细胞共培养及复杂生物材料构建微环境。技术上，涉及微纳加工、生物材料、生物传感器等多学科交叉，对设备精度和操作人员技术要求极高，如需精准调控细胞排列、流体流速等。
类器官培养条件和技术也较复杂，要提供适宜3D微环境如基质胶，添加生长因子等信号分子。技术方面，干细胞分离鉴定、3D培养体系建立等是关键步骤，存在干细胞分化不均、培养条件优化难等问题，对实验人员操作技能和经验有较高要求。
3D细胞培养相对简单，培养条件主要是提供合适支架材料和3D培养体系，对设备要求低于器官芯片和类器官。技术上，虽也涉及细胞接种、培养条件优化等，但操作复杂度较低，更易于实现大规模培养和应用。
3.应用领域与优势
器官芯片在药物研发领域优势明显，可高度模拟人体药物代谢和毒性反应，提高药物筛选准确性和成功率，大幅降低研发成本与时间。在毒性测试方面，能精准评估药物或化学品对器官影响，保障安全性。
类器官在疾病模型构建上独具特色，利用患者来源干细胞构建疾病类器官，可精准模拟疾病病理过程，为研究发病机制和个性化治疗提供理想模型。在再生医学领域，有望实现基于患者基因型的器官移植，解决器官短缺和免疫排斥问题。
3D细胞培养在药物测试中能提供更可靠细胞模型，提高药物测试预测性。在组织工程中，可利用其构建简单组织或器官，用于移植治疗。毒理学研究中，3D细胞培养可评估化学物质毒性，为化学品和药物安全性提供数据支持。
艾玮得在器官芯片领域的贡献
1.艾玮得的产品与技术
在器官芯片产品方面，艾玮得构建了覆盖多种应用场景的芯片矩阵，包括单腔/双腔膜式芯片、高通量膜式屏障芯片、高通量无膜屏障芯片、高通量共培养芯片、高通量插件膜式芯片以及太空血管组织芯片等多种型号。这些芯片基于微流控技术，通过多孔膜或固体边缘效应构建组织-组织屏障或管状结构，能够实现细胞的三维共培养、动态流体灌注以及气液界面培养。以此为基础，能够构建包括心脏、肝脏、肠、肾、肺、皮肤、血管屏障及肿瘤等多种人体器官的生理或病理模型。例如，心脏芯片可模拟心脏的收缩功能、电生理特性，用于药物心脏毒性评价；肝脏芯片可模拟肝内细胞间相互作用和代谢功能，用于药物代谢和肝毒性评价。同时，也存在覆盖全链条的器官芯片定制服务，从设计、测试到生产加工，以满足不同客户的特定模型构建和科学研究需求。
在技术支撑与配套设备方面，艾玮得开发了器官芯片智能分析系统，这是一套集成了智能实时拍摄、智能定位和智能AI图像处理与分析的可视化成像系统。该系统能够自动拍摄明场/多色荧光通道，通过智能设置永久记录孔内位置，实现长周期连续观测，并搭载AI智能算法自动识别类器官、计算生长率/抑制率，简化了数据分析和报告出具流程。此外，还配备了器官芯片流控系统，能够精准控制微流体培养基，为芯片内细胞提供流体剪切力，模拟组织的真实生长环境；以及摇摆灌注仪，通过重力驱动的方式实现高通量、无泵的动态流体培养，降低了实验复杂性。在生物试剂方面，配套提供了多种类器官培养试剂盒、模型培养试剂盒及重组蛋白，形成了从芯片、设备到试剂的全链路产品布局。
在技术体系方面，艾玮得整合了生物材料、发育生物学、微流控技术、自动化、人工智能等多学科技术。基于构建的器官芯片模型，结合AI分析系统，在多个研究领域实现了应用。例如，在药物研发领域，可以基于心肌芯片评估药物对收缩幅度、频率、节律性的影响；基于肝脏芯片检测药物对代谢酶活性、白蛋白分泌等指标的作用；在毒理学评估中，通过肺芯片监测跨膜电阻变化来衡量污染物对屏障结构的损伤。在数据分析层面，开发了多种AI算法，如肿瘤球侵袭性分析算法、心肌球跳动分析算法、黑色素沉积分析算法等，实现了从数据采集到分析解读的自动化。
2.艾玮得的应用案例
在药物研发领域，艾玮得有一个标志性案例是心脏器官芯片数据支撑了恒瑞医药创新药HRS-1893片获批IND。该药物用于治疗肥厚型心肌病，在动物实验难以建模的情况下，通过器官芯片高效准确地完成了化合物体外活性和药物选择性的筛选，为后期的体内药效实验找到了候选分子，并助力该药物完成了近80亿元的海外授权。此外，在此次药物研发中，创新性地使用心脏器官芯片数据申请新药临床试验并获得批准，这是中国首个此类案例。
在美妆功效与安全性评价领域，艾玮得构建了3D表皮、3D黑素皮肤、3D全层皮肤模型及皮肤芯片组成的仿生评价体系。基于此体系，能够为美妆企业提供美白、抗衰、保湿功效检测以及刺激性、光毒性安全性评价服务。例如，利用皮肤芯片开发了一种可培养和分化原代人角质形成细胞的微流控芯片，经过气液培养形成的表皮模型表现出与人正常表皮相似的组织学特征，能够根据OECD 439的检测方法，准确区分化学品的刺激性与非刺激性。皮肤芯片平台还可用于检测美白效果，通过对黑色素颗粒面积的定量分析，评估化妆品原料的干预效果。
在临床转化与精准医疗方面，艾玮得利用肿瘤类器官/器官芯片技术提供药物敏感性分析服务。具体应用案例包括：利用卵巢癌组织培养患者来源类器官，并构建血管化芯片和免疫共培养芯片模型，分别用于小分子化药和细胞治疗药物的药效评价。在卵巢癌微流控系统中，首次评估了CAR-MSLN-T疗法，证实了其对MSLN高表达卵巢癌的特异性杀伤作用。另一个案例是，针对结直肠癌患者，按照肿瘤类器官芯片的药物敏感性检测结果指导个性化治疗，发现超过50%的患者无进展生存期超过2个月，明显高于预期，全部患者的中位无进展生存期为67天，中位总生存期为189天。
器官芯片是什么
