肿瘤器官芯片是什么?肿瘤器官芯片如何模拟肿瘤微环境?
发布时间：
2026-08-16 15:15
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肿瘤器官芯片概述
1.肿瘤器官芯片的定义
肿瘤器官芯片是一种借助微流控与生物工程技术，在微观芯片上高度模拟肿瘤组织结构和功能的体外模型。它以微米级的尺寸，在芯片上精确构建出肿瘤生长的微环境，包括肿瘤细胞的种类、排列方式，以及周围的血管、免疫细胞、基质细胞等成分，还能模拟出细胞间的相互作用、物质的传递等生理过程。
其模拟原理主要基于对肿瘤微环境的深入理解。通过微加工技术，制造出具有特定结构和功能的微通道与腔室，为细胞提供生长的空间。利用生物材料模拟细胞外基质，为细胞提供支撑和信号传递的环境。通过微流控技术，精确控制营养液、生长因子等物质的输送，模拟体内的物质交换与信号传导过程，使肿瘤细胞能够在芯片上呈现出与体内相似的生长、增殖、侵袭等生物学行为，从而形成一个高度仿真的肿瘤模型，为肿瘤研究提供了全新的平台。
2.肿瘤器官芯片的研究背景与意义
肿瘤器官芯片的研究有着深刻而迫切的背景。长期以来，肿瘤研究面临着诸多挑战。传统的细胞培养模型虽操作简单、成本较低，但只能模拟单一细胞类型在静态环境中的生长，无法还原肿瘤组织中复杂的细胞间相互作用和动态的微环境。动物模型虽能模拟人体的整体生理环境，但存在个体差异大、实验周期长、成本高昂等问题，且动物与人体在生理结构和药物代谢等方面存在差异，导致药物试验结果的预测性较差。
肿瘤器官芯片的出现为解决这些问题提供了新的思路和方法。它在模拟肿瘤微环境方面具有独特优势，能够更真实地反映肿瘤细胞与周围基质、免疫细胞等的相互作用，有助于深入研究肿瘤的发病机制、侵袭转移机制等生物学问题。在药物筛选方面，肿瘤器官芯片能够更准确地预测药物对肿瘤的治疗效果和副作用，提高药物筛选的效率和成功率，降低药物研发的成本和周期。它还能为个性化医疗提供支持，根据患者的肿瘤特征构建个性化的肿瘤芯片模型，筛选出最适合患者的治疗方案，提高治疗效果，为肿瘤患者带来新的希望。
肿瘤器官芯片的技术原理
微流控技术在肿瘤器官芯片中的应用极为关键，它如同芯片的“大脑”，精准操控着细胞的生长环境。在细胞培养方面，微流控技术能够构建出微米尺度的通道和腔室，这些结构为肿瘤细胞提供了与体内相似的三维生长空间。细胞被置于其中，可在生物材料构建的基质中形成类肿瘤组织，模拟体内肿瘤细胞与基质细胞的相互作用。
在环境调控上，微流控技术更是展现出了强大的功能。通过精确控制微通道内流体的流速和方向，可以持续不断地为细胞输送营养液、生长因子、氧气等必需物质，同时及时排出代谢废物。这不仅保证了细胞的正常生长代谢，还能模拟体内物质的动态交换过程。更重要的是，微流控技术可以实现不同细胞类型在芯片上的共培养。通过设计复杂的微流控网络，将肿瘤细胞、免疫细胞、内皮细胞等按需共培养，并通过微通道控制细胞间的物质交换和信息传递，模拟出肿瘤微环境中细胞间的复杂相互作用，如肿瘤细胞的免疫逃逸、血管生成等过程，为深入研究肿瘤生物学行为提供了有力手段。
肿瘤器官芯片模拟肿瘤微环境
1.肿瘤细胞和间质细胞的共培养环境构建
在肿瘤器官芯片中，实现肿瘤细胞和间质细胞的共培养是模拟肿瘤微环境的关键环节。通过微流控技术，可在芯片上构建出复杂的微通道与腔室结构，为不同类型的细胞提供共培养的空间。科学家们会将肿瘤细胞与成纤维细胞、免疫细胞、内皮细胞等间质细胞，按照特定的比例和分布方式，接种到芯片上的不同区域或腔室中。
肿瘤细胞和间质细胞的共培养，还能帮助研究人员观察肿瘤微环境中免疫细胞对肿瘤细胞的攻击与逃逸过程，为开发免疫治疗策略提供有力支持。通过调整共培养细胞的种类和比例，可以构建出不同肿瘤类型的器官芯片模型，更精准地模拟特定肿瘤的微环境，为肿瘤研究提供更丰富的数据。
2.细胞外基质和血管网络的模拟
细胞外基质和血管网络是肿瘤微环境中的重要组成部分，肿瘤器官芯片对它们的模拟至关重要。在模拟细胞外基质方面，常用的方法是利用生物材料，能够为细胞提供类似体内细胞外基质的支撑和信号传递环境。
对于血管网络的模拟，则主要借助微流控技术。通过设计复杂的微流控网络，在芯片上构建出微米尺度的血管状通道。这些通道可以模拟体内血管的结构和功能，为肿瘤细胞提供营养和氧气，同时排出代谢废物。
3.细胞微环境理化条件的控制
肿瘤器官芯片通过多种先进技术对细胞微环境的理化条件进行精准控制，以贴近真实肿瘤微环境。在控制氧气浓度方面，可利用微流控技术，通过调节微通道内气体的流速和成分，为细胞提供不同浓度的氧气环境，模拟肿瘤组织内部缺氧或正常氧供的状态。
在机械力方面，可通过微流控装置产生流体剪切力，模拟体内血管流动对细胞的机械刺激，研究机械力对肿瘤细胞生长、迁移等行为的影响。温度控制则通过外接温控系统，确保芯片内部的温度稳定在人体温度水平，为细胞提供适宜的生长环境。这些理化条件的精准控制，使得肿瘤器官芯片能够更真实地模拟体内肿瘤微环境，为肿瘤研究提供更可靠的数据支持，帮助研究人员更深入地理解肿瘤的发生发展机制，筛选更有效的抗肿瘤药物。
肿瘤器官芯片与传统模型的比较
1.与二维培养模型的比较
传统的二维培养模型是将细胞在平面培养皿中培养，操作简便、成本较低，在过去被广泛应用于细胞生物学研究。但在模拟肿瘤方面，其局限性十分明显。它只能提供单一的平面环境，细胞间缺乏复杂的相互作用，无法真实反映肿瘤组织中细胞与基质、免疫细胞等在三维空间中的联系。而且静态的培养环境无法模拟体内物质的动态交换和信号传导，导致细胞在二维培养中呈现出的生物学行为与体内差异较大。
而肿瘤器官芯片则能在多方面弥补这些不足。它借助微流控和生物工程技术，在微米级的芯片上构建出三维的生长空间，让肿瘤细胞能在类似体内细胞外基质的环境中生长，形成类肿瘤组织。通过精确控制物质的输送和细胞间的相互作用，肿瘤器官芯片能高度模拟肿瘤微环境中的细胞间通信、物质交换等过程，使肿瘤细胞展现出更接近体内的生长、增殖、侵袭等生物学行为。这为研究肿瘤的发病机制、药物反应等提供了更可靠的数据，能更真实地反映肿瘤在人体内的实际情况，提高了研究的准确性和有效性。
2.与动物模型的比较
动物模型在肿瘤研究中曾占据重要地位，它能模拟人体的整体生理环境，观察肿瘤在活体中的生长、转移等情况。然而动物模型也存在诸多问题。
从实验周期和成本来看，动物模型的实验周期往往很长，从构建模型到观察结果可能需要数月甚至更长时间，且需要大量的动物饲养和实验操作，成本高昂。而肿瘤器官芯片实验周期短，通常在数天到数周内就能完成相关实验，操作相对简单，成本也大幅降低。
在伦理方面，动物实验需要考虑动物福利和伦理问题，而肿瘤器官芯片的使用则能有效减少对动物的依赖，缓解伦理压力。
生理相关性上，动物与人体在生理结构和药物代谢等方面存在差异，导致在动物模型上有效的药物在人体中可能效果不佳或出现副作用。肿瘤器官芯片虽不能完全替代人体环境，但它能更精准地模拟肿瘤微环境，在细胞水平和组织水平上更贴近人体肿瘤的特性，能更准确地预测药物对肿瘤的治疗效果和副作用，为药物研发和个性化医疗提供更有力的支持。
肿瘤器官芯片的应用案例
1.在药物筛选中的应用
在药物筛选领域，肿瘤器官芯片展现出巨大的应用潜力。传统的药物筛选方法往往因无法准确模拟人体肿瘤微环境，而导致筛选出的药物在临床应用中效果不佳或副作用大。而肿瘤器官芯片的出现，则为药物筛选带来了新的突破。
2.在个性化医疗中的应用
肿瘤器官芯片在个性化医疗中的应用，为肿瘤治疗带来了全新的变革。传统的肿瘤治疗方法往往采用“一刀切”的方式，对所有患者使用相同的治疗方案，但效果因人而异。而肿瘤器官芯片可以根据患者的具体肿瘤特征，构建出个性化的肿瘤模型，为患者量身定制治疗方案。
3.在肿瘤机制研究中的应用
肿瘤器官芯片在揭示肿瘤发生、发展等机制方面的研究应用具有重要意义。肿瘤的发生和发展是一个复杂的生物学过程，涉及多种细胞、信号通路和微环境因素的相互作用。传统的细胞培养和动物模型难以全面、准确地模拟这一复杂过程，而肿瘤器官芯片则能提供更接近真实肿瘤微环境的研究平台。
艾玮得在肿瘤器官芯片领域的研究成果
1.艾玮得的肿瘤器官芯片产品或技术
在肿瘤器官芯片领域，艾玮得生物构建了较为完整的产品与技术体系。肿瘤器官芯片模型的核心优势在于能够模拟人体肿瘤微环境（TME），包含血管屏障和免疫微环境等关键结构。具体而言，相关的肿瘤器官芯片产品与技术主要涵盖两种类型：血管化肿瘤芯片与免疫共培养肿瘤芯片。
血管化肿瘤芯片通过将肿瘤类器官、肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）等在特定芯片上进行共培养，成功构建了具有血管网络的肿瘤微环境。此技术的关键在于利用高通量共培养芯片，在动态培养条件下促进HUVECs形成类血管结构，同时CAFs分泌细胞外基质，从而高度还原肿瘤体内的真实环境。这一技术可应用于小分子化药的药效评价，相关研究显示，基于模型的药物筛选能够揭示不同病理亚型对化疗药敏感性的差异，且动态培养下的药物疗效通常优于静态条件。例如，在卵巢癌的研究中，该技术帮助评估了多种化疗药物的效果，验证了模型依赖性的药物反应差异。
免疫共培养肿瘤芯片则进一步模拟了细胞治疗药物的真实给药和作用过程。该技术通过在芯片上构建血管屏障结构，引入免疫细胞（如CAR-T细胞），可以实时观察免疫细胞穿过内皮细胞层并杀伤肿瘤类器官的过程。这一技术为实体瘤的免疫治疗提供了有力的体外验证工具，也为基础研究中的肿瘤免疫机制探索开辟了新的途径。通过该技术，可以评估CAR-MSLN-T等细胞疗法对特定肿瘤的特异性杀伤作用，从而指导精准医疗。此外，基于芯片与AI结合的创新应用也已开展，通过高通量药物筛选、AI智能图像识别和多模态数据分析，可以在单类器官水平实现药敏分析和肿瘤异质性研究，进一步提升了研究的效率与准确性。
2.艾玮得的科研论文和专利
在科研论文方面，艾玮得生物相关研究团队已在多个国际学术刊物上发表了一系列研究成果。这些论文覆盖了肿瘤器官芯片的构建、应用及验证等多个方面。例如，有研究利用卵巢癌组织培养患者来源的类器官，并构建了血管化芯片与免疫共培养芯片两种模型，用于小分子化药和细胞治疗药物的药效评价，这一成果首次在卵巢癌微流控系统中评估了CAR-MSLN-T疗法的效果。此外，还有研究发表在国际核心期刊上，探讨了基于器官芯片的肠-肝串联模型在代谢分析和中药复方研究中的应用，以及通过肠道-免疫共培养器官芯片（肠炎模型）和肝脏器官芯片模型系统评估中药方剂对肠炎的治疗效果及安全性。在技术方法层面，团队开发了名为“Precision Organoid Segmentation Technique (POST)”的深度学习分割算法，专门用于类器官明场图像的精准识别，该算法融合了轻量化模型、目标检测及自研辅助推理技术，能有效解决类器官重叠遮挡、杂质干扰等分割难题，并在同类研究中展现了较好的稳定性和精度。这些成果共同推动了器官芯片技术在肿瘤研究领域的应用。
在专利布局方面，艾玮得生物已布局超过130项专利，其中发明专利申请占比达到59%。这些专利覆盖了从芯片设计、细胞培养、模型构建到数据分析的完整技术链条。具体包括细胞外支架材料、芯片设计加工、类器官自动化培养、多模态成像及人工智能数据分析等一系列核心关键技术。例如，针对太空环境开发的特有“太空血管组织芯片”已获得相关专利，该芯片构建了具有双层结构的血管模型，曾随神舟十五号进入空间站，完成了国际上首次血管组织芯片在长期微重力条件下的培养实验。同时，在肿瘤模型构建领域，公司也布局了关于高通量共培养芯片、无膜屏障芯片以及相关配套培养试剂盒的专利，形成了系统性的竞争壁垒。这些专利成果不仅支撑了产品的商业化，也为行业的技术标准制定提供了基础。
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