器官芯片在眼科领域的研究进展△

樊倩 王雁 段学欣 薛茜男 游睿 杨文拓 杨洋

器官芯片是一种包含有可连续灌流腔室并可进行三维细胞培养的多通道装置，是仿生生物学与微加工技术结合的产物。它利用微流控技术控制液体流动，结合细胞间相互作用、基质特性以及生物化学和生物力学特性，在芯片上构建体外三维器官微生理系统。微流控芯片系统能够将微组织器官的直径控制在毫米甚至微米级别，并增强其营养交换，防止微组织器官核心细胞的死亡。器官芯片作为人工器官的一种崭新类型，是芯片实验室技术和细胞生物学紧密结合的产物。这种结合使得在特定器官背景下研究人生理学过程成为可能，并由此引入一种新的人类体外多细胞有机体模型。同时，器官芯片是在微流控芯片上进行仿生构建，具备小型化、集成化与自动化的特点，可部分克服传统动物模型的局限与不足，在组织器官发育、疾病机制研究、新药评估筛选和生物学研究等方面具有广阔应用前景及发展空间，其对于支撑创新药物研发以及转化医学的发展具有重大战略意义。

2004年，研究人员首次提出采用人体不同器官的细胞在芯片上构建人体组织，模拟人体环境的设想[1-2]。2010年，Huh等[3]成功构建体外模拟肺水肿的肺芯片，此项工作具有里程碑式意义。目前，器官芯片研究飞速进展，心脏芯片、脑芯片、肝脏芯片、肠芯片、肾芯片、血管芯片以及骨骼肌芯片等陆续面世[4-8]。而眼是人体最重要的器官之一，构建与眼科疾病相关的仿生“眼睛芯片”是器官芯片研发的重要内容。近年来研究显示，全球约有2.17亿人患有

严重眼病，其中3600万是盲人[9-10]。最常见的不可逆性视力损害的眼科疾病包括角膜混浊、白内障、青光眼、年龄相关性黄斑变性及糖尿病视网膜病变等[11-12]。为了研究潜在的致盲性眼科疾病发病机制及新的药物治疗方案，迫切需要新的眼科疾病模型。本文就器官芯片在眼科领域中的研究进展进行综述。

1 器官芯片的构成与材料

器官芯片由两大部分构成：一是本体结构，由相应的细胞按实体器官组织中的比例和顺序搭建；二是微环境，包括器官芯片周边的其他组成细胞、营养物质等。器官芯片同时应用基于支架的最新三维细胞培养技术以及有机自组装或三维生物打印技术制作复杂得多细胞组织来模拟组织结构。器官芯片材料主要包括玻璃、塑料、水凝胶、胶原、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、苯乙烯-乙烯(丁烯)-苯乙烯共聚物等。水凝胶材料为硅水凝胶或水合聚合物，作为可用于眼表的新型材料，与其他生物材料相比水凝胶材料具有显著的优势。

2 器官芯片的技术创新

器官芯片的创新技术优势主要体现在以下几个方面：首先，体现在微环境控制，其中包括生物化学微环境的控制与生物物理微环境的控制；其次，体现在可模拟组织间相互作用和多器官相互作用等；再次，体现在稳定性好以及重现性佳，除了可减少尺寸、结构、功能以及基因表达之间的差异外，器官芯片还采用易用性设计(例如自动化控制芯片培养、高通量操作和分析、生物传感整合等)来降低操作难度以及人为操作引入的结果变异。此外，器官芯片创新技术可实现芯片小型化设计，由于在微小培养体系中分泌因子更易累计达到较高浓度，可节省细胞组织和耗材的成本，降低培养周期并可提高效率。

3 器官芯片在角膜相关疾病中的研究

2018年，Bennet等[13]设计出一种完全整合了人角膜上皮细胞、前基底膜和前弹力层的角膜芯片，利用其研究药物分子在两种眼部给药模式及三种不同条件下(静态、连续流动和脉动流)的传输规律，构建出纤维结合蛋白功能化多孔聚碳酸酯渗透膜集成的微流控装置。永生化的人角膜上皮细胞铺种在功能化的表面基底膜，其与前基底膜及前弹力层相似，采用混悬液(醋酸泼尼松龙)和透明液体(酮替芬)的形式滴入眼表，利用此装置研究角膜芯片限速屏障的通透性。此装置为眼部过敏和炎症性疾病药物的筛选提供了新方法。

2019年，Seo等[14]成功构建出一种具备眨眼功能的人工仿生眼芯片。该芯片将人角膜上皮细胞和结膜上皮细胞共培养在三维打印出的弧形仿生角膜外壳上，外壳大小与形状类似于角膜接触镜，可将原代人源角膜基质细胞嵌入支架内细胞外基质水凝胶中来模拟上皮下基质，同时具备可滑动人工眼睑(它附着在仿生角膜表面，不断通过机械滑动模拟眨眼，使得仿生眼芯片的表面润滑，成功地在微流控芯片上模拟了眼表结构和眨眼功能)。人工仿生眼芯片采用微流控芯片和自动化系统，能模拟泪液的分泌及眨眼过程，可用来研究眨眼过程机械力相关生物学效应。这一人工眼芯片系统能够更精确地模拟某些慢性眼部疾病，如干眼症或结膜炎等。

Abdalkader等[15]发明了一种多重角膜微流控屏障芯片，它能动态培养人角膜上皮细胞，再现眨眼相关剪切力。该芯片由多孔膜将上下通道隔开，先将人角膜上皮细胞接种于多孔膜上(上通道)，连续培养10 d，细胞在培养至第7天时成功形成高表达紧密连接蛋白ZO-1屏障，随后对上通道细胞施加剪切力，继而可观察到用于标记的荧光素钠出现双向和单向流动过程，此过程同细胞培养板中相类似。当应力作用24 h后细胞角蛋白-19的表达增加，证实细胞屏障功能增强，表明在剪切力作用下，暴露在动态流动刺激下的细胞群与保持在静态条件下的细胞群之间存在明显的分离，细胞面积以及细胞表型均发生改变。动态流动刺激下细胞面积增加呈扁平状，细胞角蛋白-19的高表达会辅助并支持细胞的伸展过程。此微流控芯片设计创新之处在于，模拟由眨眼介导的剪切力所产生的力学信号，将其加载于角膜屏障的表面细胞上并改变其特点，使其可以应对重复的机械刺激(眨眼)。该芯片可以为眼部药物渗透性和毒性方面的评价研究提供新的平台。

弥胜利等[16]发明了一种功能性微流控角膜接触镜，在软性角膜接触镜上构建出微流控芯片平台；它由三维微流道底层、用于封盖底层的聚二甲基硅氧烷上层以及涂覆最外表的水凝胶涂层组成，三维微流道具备采集泪液及释放眼部药物的作用。底层和上层之间形成多个腔室，多个微流道通过串联或者并联构成多个腔室，腔室内用于放置治疗药物或用于检测疾病的反应物以及微纳传感器。接触镜上设置有连通微流道的微泵腔室，微泵腔室具有成对扩缩型微阀。眨眼时眼睑对接触镜施加的机械力使微泵腔室体积发生变化，扩缩型微阀正向开启，将液体泵出。机械力卸载后，借助聚二甲基硅氧烷自身弹性，微泵腔室体积恢复，后续液体由于内外压差被挤入微泵腔室，从而实现液体的动态循环。目前，功能性微流控角膜接触镜仍处于实验室研发阶段。

4 器官芯片在脉络膜及视网膜疾病中的研究

血-视网膜屏障由视网膜色素上皮层邻近的有孔脉络膜血管网组成，在病理状态下异常脉络膜新生血管侵入Bruch膜并导致视网膜色素上皮层破裂。目前大多数针对血-视网膜屏障设计的微流控芯片均围绕模拟视网膜色素上皮细胞表型与屏障功能、病理性脉络膜新生血管(CNV)生成以及抗血管内皮生长因子(VEGF)药物对CNV的影响等展开。

2017年，Chen等[17]利用微流控芯片技术体外模拟血-视网膜屏障作用机制，通过在微流控装置中共培养人视网膜色素上皮细胞(ARPE-19)与人脐静脉内皮细胞(HUVECs)检测出紧密连接蛋白ZO-1，他们同时发现，与对照相比，低糖低氧条件下HUVECs 分泌VEGF含量增加，通过氯化钴作用于ARPE-19细胞，证实在低糖低氧条件下ARPE-19与HUVECs之间存在相互作用，一旦ARPE-19细胞膜破裂，HUVECs的增殖则受到抑制。此外，低氧引起的葡萄糖浓度改变会导致ARPE-19细胞中VEGF表达上调，进而影响HUVECs的定向生长。

2017年，Yeste等[18]研发出一种模拟人视网膜的微流控装置，将原代人视网膜血管内皮细胞、人视网膜神经母细胞瘤细胞系和ARPE-19共培养在平行的隔间中，通过一个网格状的微沟槽实现高度互连，促进旁分泌信号和多个组织的细胞间接触。该装置不仅可以实现高时空分辨率的实时成像，还可用于测量经皮电阻。它为早期糖尿病视网膜病变和糖尿病性黄斑水肿的体外研究提供了新的平台。

Su等[19]成功研发出针对视网膜神经元突触再生的微流控突触再生芯片。这个芯片将视网膜前体细胞置入具有多个微通道阵列的环境中培养，重建视网膜神经元突触，培养的细胞可通过微通道进行物理连接并激活电信号传导。此芯片提供了一个新的用于在细胞水平上进行人工视网膜再生高通量研究的工具。它可以模拟视网膜功能，用于研究移植细胞与宿主细胞之间的通讯，并促进细胞水平视网膜再生因子的高通量筛选。

Chung等[20]利用微流控技术在体外模拟视网膜色素上皮细胞脉络膜复合体，此模型由视网膜色素上皮细胞组成单层细胞，邻近的可灌注血管网模拟外层血-视网膜屏障功能，重建CNV的发生及形成过程，研究人员从体外血管网中可观察到新生血管进入视网膜色素上皮层，并能验证抗VEGF药物贝伐单抗对CNV的作用。

5 器官芯片目前的局限

器官芯片模型目前仍存在一定局限。它以预定的方式设计和构建，在模拟器官病理过程中的动态结构、环境和功能变化方面能力有限。器官芯片通常需要基质胶或类似基底膜提取物为其提供三维结构支撑，使其形成适当的形态。这些材料的组成和批次之间的变异性定义不明确，这对于实现高度的环境可控性存在局限性，因此需要进一步研究用于各种细胞类型共培养的最佳培养条件和培养基。另外，过低的人体还原度或者过高的操作需求都会限制器官芯片的市场化应用推广。

6 器官芯片应用前景展望

当前，器官芯片已经成为与区块链、纳米传感器、石墨烯等并列的十大前沿创新技术之一。器官芯片在眼科领域应用前景广阔，为解决传统培养技术的局限性提供崭新解决方案。目前，其最有前途的应用之一是在眼科领域的药物研发及筛选。在眼科疾病相关的新药评价和疾病模拟研究中器官芯片具有不可比拟的优势，与常规的眼科动物实验相比更经济、快速且无创。虽然大部分的器官芯片仍处于实验室阶段，但其在眼科疾病领域的研究已显示出特有的临床应用价值和前景。