高通量器官芯片是什么?
发布时间：
2026-08-11 11:52
来源：
器官芯片技术背景与意义
1.传统体外模型的局限性
在生物医学研究领域，传统体外模型如细胞培养等，曾是研究的基础手段。但它们在模拟人体生理条件方面存在诸多不足。传统细胞培养通常是在二维平面上进行，细胞生长在平坦的培养皿表面，这种环境与人体内细胞所处的三维立体结构相去甚远。细胞在二维环境中会改变其形态、功能和基因表达，无法真实反映组织器官的结构和功能完整性。
传统体外模型还忽略了组织间的相互作用。在人体内，不同类型的细胞、组织和器官紧密相连，相互协作，共同维持机体的正常生理功能。而传统模型往往只能单独研究一种或几种细胞，无法模拟出这种复杂的组织间交互作用，导致研究结果可能与人体实际情况存在较大偏差。这些局限性使得传统体外模型在药物筛选、毒性测试等方面的准确性和可靠性大打折扣，无法满足现代生物医学研究对精准模拟人体生理环境的需求，亟待新的技术手段来突破这一瓶颈。
2.器官芯片的突破
器官芯片的出现，为体外模型的研究带来了革命性的突破。它利用微流控技术，在微米尺度的芯片上构建出高度仿生的人体器官微环境。微流控技术能够精确控制芯片内液体的流动，实现细胞培养液的持续更新、营养物质的供应和代谢废物的清除，模拟出人体内的血液循环系统。
器官芯片通过在芯片上构建不同材料的微通道和微结构，形成特定的三维空间结构，使细胞能够在接近人体器官的环境中进行生长和分化。例如，在心脏芯片中，可以构建出心肌细胞的收缩结构和血管网络，让心肌细胞在芯片上自主收缩，模拟心脏的跳动功能。这种三维结构和动态环境使得细胞能够更好地保持其原有的形态、功能和生理特性，更贴近真实的人体器官。
器官芯片还可以将不同类型的细胞和组织整合到同一芯片上，实现细胞间的相互作用和通讯，模拟出组织器官间的复杂交互关系。通过精确控制细胞种类、培养条件和流体环境，器官芯片能够模拟出人体器官的多种生理和病理状态，为药物筛选、疾病机制研究、再生医学等领域提供了更精准、更可靠的体外研究平台。
高通量器官芯片的概念和原理
1.高通量器官芯片的定义
高通量器官芯片是一种能够并行处理大量样本的器官芯片系统。在生物医学研究领域，它凭借强大的处理能力，提高了实验效率和数据产出。传统的器官芯片虽能模拟人体器官的微环境，但在处理样本数量上存在局限，难以满足大规模药物筛选、毒理学研究等对样本量的需求。而高通量器官芯片则突破这一限制，通过集成化设计，能够同时对成百上千个样本进行测试。这种并行处理能力，使得科研人员能在更短的时间内获取更多关于药物效果、毒性反应等关键信息，为药物研发、疾病机制研究等提供强有力的技术支持，加速从基础研究到临床应用的转化进程，是器官芯片技术发展的重要方向之一。
2.实现高通量的方式
高通量器官芯片实现高通量主要依赖于集成多个芯片单元和自动化设备这两大技术手段。在集成芯片单元方面，采用微加工技术，在一块基板上集成大量微小的器官芯片单元。每个芯片单元都是一个独立的微型实验室，能够模拟特定器官的生理环境。通过高度集成的设计，可以在一个较小的空间内实现大量样本的并行处理。这种集成化不仅提高了空间利用率，还使得样本间的相互干扰降到最低，保证实验结果的准确性。
自动化设备则为高通量器官芯片的高效运行提供了保障。自动化进样系统能够精确地将样本分配到各个芯片单元中，减少人工操作的误差和时间成本。自动化检测设备可实时监测芯片内细胞的生长状态、代谢产物等指标，并将数据传输到计算机进行分析处理。整个实验过程，从样本制备到结果分析，都能在自动化设备的控制下有序进行，提高了实验的通量，使得高通量器官芯片能够快速、高效地完成大规模实验任务，为生物医学研究提供强大的技术支撑。
3.微流控技术的作用
微流控技术在高通量器官芯片中发挥着至关重要的作用，尤其在调控流体和营造生理环境方面。在调控流体上，微流控技术利用微通道结构，精确控制芯片内液体的流动速度和方向。通过设计不同的微通道网络，可以模拟出人体内的血液循环系统，实现细胞培养液的持续更新、营养物质的供应和代谢废物的清除。这种精确的流体控制，能够为细胞提供稳定的生长环境，避免因营养物质不足或代谢废物积累而影响细胞状态。
在营造生理环境方面，微流控技术通过控制流体的成分和流动模式，模拟出人体器官的多种生理条件。例如，通过调节培养液中的氧气浓度、二氧化碳浓度等参数，可以模拟出不同组织器官的微环境，使细胞能够在更接近人体的环境中生长和分化。此外，微流控技术还能实现不同细胞间的相互作用和通讯，通过控制细胞种类、培养条件和流体环境，模拟出组织器官间的复杂交互关系，为研究细胞间信号传导、药物作用机制等提供了理想的实验平台。
高通量器官芯片与传统模型的比较
1.与细胞培养的比较
在模拟生理环境方面，细胞培养通常是在二维平面上进行，细胞生长在平坦的培养皿表面，难以形成人体器官内部复杂的三维结构和组织间相互作用。而高通量器官芯片借助微流控技术，在微米尺度的芯片上构建出高度仿生的三维器官微环境，通过微通道和微结构模拟组织器官的立体结构，使细胞能在更接近真实器官的环境中生长。
从数据可靠性来看，细胞培养由于缺乏组织器官的结构和功能完整性，细胞在形态、功能和基因表达上会发生改变，导致研究结果可能与人体实际情况存在较大偏差。高通量器官芯片能够模拟出组织器官的多种生理和病理状态，细胞在其中能更好地保持原有特性，所得到的实验数据更可靠、更贴近人体真实情况，能为药物筛选等提供更精准的参考。
2.与动物实验的比较
从伦理角度来看，动物实验会涉及对实验动物造成痛苦甚至伤害，存在伦理争议。而高通量器官芯片以体外细胞培养为基础，无需使用动物进行实验，避免了对动物的伤害，更符合伦理要求。
在成本方面，动物实验需要饲养大量实验动物，且实验周期长，涉及的饲养、管理、实验操作等成本高昂。高通量器官芯片虽然研发和制备成本相对较高，但一旦投入使用，可同时进行大量样本测试，长期来看能降低实验成本。
就准确性而言，动物与人体在生理结构和功能上存在差异，动物实验得出的结果有时难以直接推论到人体。高通量器官芯片能够模拟人体器官的生理和病理状态，其实验结果更贴近人体实际情况，在预测药物效果、毒性等方面具有更高的准确性。不过目前量器官芯片目前尚难以完全替代动物实验
高通量器官芯片的应用
1.在药物研发中的应用
在新药筛选方面，艾玮得构建的肝芯片，能够模拟肝脏的多种功能，包括代谢、药物转运等。利用该芯片进行药物筛选时，可准确预测药物在人体肝脏中的代谢情况，以及可能产生的毒性反应。与传统动物实验相比，该方法不仅缩短了药物筛选周期，还降低了成本。
在毒性测试领域，艾玮得的高通量器官芯片也展现出强大优势。某制药公司使用艾玮得的肺芯片对一种新研发的药物进行毒性测试，发现该药物在高浓度下会对肺部细胞造成损伤，及时调整药物配方，避免了后续可能出现的临床问题。
在个性化药物开发上，高通量器官芯片可根据患者的基因信息，构建出与患者器官特性相似的芯片模型。一位患有罕见遗传性疾病的儿童，医生通过其基因信息定制了高通量器官芯片，用于筛选针对该儿童的有效药物，最终成功找到了适合的治疗方案，为个性化医疗提供了有力支持。
2.在疾病模型构建中的应用
高通量器官芯片可通过模拟疾病病理过程为疾病研究提供支持。在模拟阿尔茨海默病病理过程时，科研人员利用高通量器官芯片构建出脑芯片模型。他们在芯片中培养神经元细胞，并通过控制流体环境，模拟出β-淀粉样蛋白的沉积过程，观察神经元细胞在病理环境下的反应和变化，为研究阿尔茨海默病的发病机制提供了新的实验平台。
在肿瘤研究领域，高通量器官芯片也展现出独特优势。某研究团队利用该技术构建出肿瘤微环境模型，将肿瘤细胞、内皮细胞、免疫细胞等多种细胞整合到芯片上，模拟出肿瘤的生长、转移过程。通过改变流体中的营养物质和生长因子，研究人员观察到肿瘤细胞的不同生长状态，为抗肿瘤药物的研究提供了更接近真实情况的实验模型。
3.在毒理学研究中的应用
高通量器官芯片凭借其强大的并行处理能力，能明显提高毒理学研究效率。传统毒理学研究往往需要大量的实验动物和较长时间，而高通量器官芯片可同时对成百上千个样本进行测试，缩短了实验周期。某研究机构利用高通量器官芯片对一批化学品进行毒性测试，仅用一周时间就完成了原本需要数月才能完成的实验任务。
在准确性方面，高通量器官芯片能更真实地模拟人体器官的生理状态。细胞在芯片上处于接近人体的三维结构和动态环境中，其对毒物的反应更接近人体实际情况。相较于传统体外模型和动物实验，高通量器官芯片得出的毒性数据更具参考价值。一项针对某农药的毒性研究中，高通量器官芯片准确预测出该农药对人体肝脏和肾脏的潜在毒性，与后续人体临床实验结果高度吻合，为毒理学研究提供了更可靠的数据支持。
高通量器官芯片产业化面临的挑战
1.技术瓶颈
高通量器官芯片在芯片设计、制造和信号检测等方面存在诸多技术难题。在芯片设计上，需精准构建复杂的三维微结构和微流控网络，以模拟人体器官的精细结构和功能。设计时要综合考虑细胞生长、物质运输等多种因素，对设计者的生物医学知识和工程学能力要求极高。制造方面，高通量器官芯片的微纳制造工艺极为复杂，对加工精度和材料性能要求严格。微通道的尺寸通常在微米甚至纳米级别，制造过程中极易出现结构缺陷，影响芯片性能。
2.成本控制问题
高通量器官芯片从研发到使用，各环节成本控制问题突出。研发环节，芯片涉及多学科交叉，技术研发难度大，需要投入大量的人力、物力和财力进行技术攻关。科研人员需要不断探索新的材料、工艺和技术，这无疑增加了研发成本。生产环节，高精度的制造设备、复杂的制造工艺以及高质量的材料，都使得生产成本居高不下。
3.标准化和监管问题
高通量器官芯片的标准化制定和监管政策面临诸多挑战。在标准化制定方面，由于高通量器官芯片技术发展迅速，涉及多学科领域，目前尚缺乏统一的技术标准和评价标准。不同企业和研究机构采用的芯片设计、制造工艺和检测方法各不相同，导致实验结果缺乏可比性和可重复性。这不仅给科研工作带来困扰，也不利于产业的规范化发展。在监管政策方面，高通量器官芯片作为一种新兴的生物技术产品，其安全性、有效性等问题需要严格监管。但目前针对高通量器官芯片的监管政策尚不完善，缺乏明确的审批流程和市场准入标准。这可能导致一些质量不达标的芯片产品流入市场，给科研和临床应用带来风险，也阻碍了高通量器官芯片产业的健康发展，急需相关部门出台完善的监管政策。
艾玮得在高通量器官芯片领域的发展
1.艾玮得的技术优势
在高通量器官芯片领域，技术优势主要体现在芯片设计、模型构建与系统整合三个方面。芯片设计上，目前已推出高通量膜式屏障芯片、高通量无膜屏障芯片、高通量共培养芯片等产品线。其中，高通量膜式屏障芯片采用具有上下独立流道的结构，通过生物相容性多孔薄膜分隔，可构建类似人体组织-组织屏障界面；其上下腔室体积经过优化设计，支持气液、液液等多种灌注培养方式，并可通过重力驱动实现流体的可持续流动，降低了对外部复杂流体控制系统的依赖。高通量无膜屏障芯片则具利用固体边缘效应构建无膜式屏障，实现通道中细胞的精准定位与物质信号的无障碍交互，其单芯片通量可达40个实验单元，适合大规模生物模型构建。高通量共培养芯片采用底部微流道串联成培养单元的设计，单芯片包含128个实验单元，可进行类器官与间质细胞的动态共培养。在模型构建方面，基于这些芯片平台，已建立了一系列稳定、可重复的生理与病理模型，包括肝脏、肠道、肺、皮肤、肾脏、血脑屏障、血管化肿瘤及免疫共培养模型等。以肝脏模型为例，可用于药物性肝损伤预测，利用人源肝实质细胞、肝窦内皮细胞、库普弗细胞、肝星状细胞等在芯片上构建肝脏微环境，进行肝毒性评估。系统层面，开发了配套的摇摆灌注仪与器官芯片智能分析系统。摇摆灌注仪适配标准尺寸的芯片，支持连续或间隔摇摆模式，角度可调，为重力驱动的芯片提供可控流体动力。智能分析系统则集成AI算法，能自动识别类器官，结合对照组自动计算生长率或抑制率，并具备Z-stack 3D图像合成、多视野图像拼接等功能，可连续近百天进行成像观测，在提升效率与保障高数据质量方面具备优势。
2.艾玮得的应用案例
在应用案例方面，有多项基于高通量器官芯片的研究成果。肝脏芯片应用案例中，利用高通量膜式屏障芯片构建了包含肝实质细胞、肝窦内皮细胞、库普弗细胞、肝星状细胞的人源肝脏微环境模型，对27种已知肝毒性和非毒性药物进行评估，结果显示对肝毒性药物的敏感性为87%，特异性达到100%。肠道芯片应用案例中，利用高通量膜式屏障芯片构建了具有完整屏障功能的肠道上皮模型，用于评估特定多肽（r-RORDEP1）的渗透性。在肿瘤药物筛选领域，应用高通量共培养芯片构建了卵巢癌血管化微环境模型。该模型将卵巢癌类器官来源的单细胞、肿瘤相关成纤维细胞与人脐静脉血管内皮细胞共培养，用于评估化疗药物的敏感性。实验结果表明，动态培养条件和血管化微环境会明显影响药物作用效果，显示出模型依赖性的药物反应差异。另外，还基于高通量插件膜式芯片构建了卵巢癌免疫共培养模型，将患者来源的肿瘤类器官球聚体与癌相关成纤维细胞、血管内皮细胞接种于多孔膜两端，验证了靶向间皮素的CAR-T细胞能够穿过内皮屏障并发挥特异性抗肿瘤活性。在基础研究方面，利用高通量无膜屏障芯片成功构建了3D血管模型，研究了在流动状态下T细胞的跨内皮迁移行为，观察到在TNF-α介导的炎症、CXCL12趋化因子梯度或黑色素瘤细胞刺激下，T细胞可发生跨内皮迁移，这为免疫治疗研究提供了支持。
3.艾玮得的未来规划
未来的发展重点在于深化技术整合与构建产业生态。在技术上，将器官芯片与人工智能技术的融合视为核心方向。已经与华为云合作开发了人体器官芯片医药大模型，该模型融合了器官芯片自动化、高通量、多模态的数据生产优势与盘古药物分子大模型的人工智能技术。此战略旨在通过AI提升对药物反应评估的准确性与效率，并开发基于人类肝类器官明场图像的AI模型（如DILITracer）来预测药物诱导肝损伤等级，以及专为类器官明场图像设计的深度学习分割算法（POST），实现高效、精准的药物筛选。在产业化方面，生态体系建设是明确路径。目标是打造国家级器官芯片生态平台，推动整个产业链的发展。具体措施包括持续推动器官芯片公共服务平台的建设，并积极参与行业标准制定，已参与《皮肤芯片通用技术要求》国家标准的制定与发布，并正参与《肝器官芯片通用技术要求》等更多标准的起草工作。同时，将拓展应用场景，除了深耕药物研发领域，还将同步推进在美妆评价、航天医学、环境毒理评估、再生医学等领域的应用。例如，在美妆领域，已构建起3D表皮、3D黑素皮肤、3D全层皮肤模型组成的仿生评价体系，可提供美白、抗衰、保湿功效检测及安全性评价服务。另外，基于器官芯片的全链路药物研发解决方案也得到布局，该方案整合了早期的药物高通量筛选、临床前的多器官毒性评估与代谢分析，以及临床研究中的药效标志物挖掘和伴随诊断研发，旨在贯穿药物开发从实验室到临床的完整链条，以提升研发效率并降低失败风险。
高通量器官芯片,器官芯片
上一页
上一页
