高通量自动化类器官芯片研究进展

孟繁露，韩益明，修继冬，黄建永

类器官是干细胞自组织形成的三维多细胞体外培养物［1-2］，常被看作微小的器官简化模型，在生长发育、疾病建模和药物开发等研究领域展现出巨大潜力，已成为组织工程和再生医学的重要发展方向［3-4］。传统的类器官培养体系基于手动操作构建基质胶三维培养微环境，通过操控细胞因子等生化信号驱动干细胞增殖分化，并自组织形成类器官［5-6］。然而，类器官作为新兴培养体系在诸多方面仍有待优化：（1）基质胶的批次间差异（包括物理特性和生长因子含量等的差异）直接影响了类器官培养物的批次稳定性。（2）类器官在基质胶中随机分布会引起空间密度和间距差异，从而诱导类器官表型发生不可控变异。（3）上述空间分布的随机性使类器官处于不同焦平面，从而为高精度快速成像检测带来挑战。（4）频繁的手动操作会引入人为误差，从而影响培养体系稳定性［7-9］。

微流控芯片技术又称“芯片实验室“，见图1。利用微纳加工手段把多因素的复杂反应体系集成到一块芯片上，在精准控制下自动完成培养、实验和分析的全过程。因此发展高通量自动化的类器官芯片，对于克服传统类器官培养体系的缺陷，实现类器官培养过程的标准化，进而加速其转化应用具有重要意义［10-11］。

Fig.1 Overview of high throughput automated organoid-on-a-chip system图1 高通量自动化类器官芯片概览

1 类器官芯片之高通量均质化培养方案

类器官高通量培养可以通过微井阵列、微流体液滴、微柱阵列等培养体系实现。其中，微井阵列是三维高通量类器官培养中应用最广泛的一种方法［11］。微井阵列芯片通常由一系列形状规则的微腔（如“V”和“U”形）组成，被广泛用于高通量（＞1 000个微井）均质性类器官培养的研究。在类器官培养伊始，单个微井结构可促进干细胞快速聚集，这是培养具有均匀尺寸类器官的关键步骤。微井结构将类器官培养体系有效地划分为规则的阵列，一方面提高了培养通量，另一方面提供了几何限制和微环境信号，最终引导类器官发育成熟［9］。近年来多项研究还聚焦于微井阵列基质材料的优化。Gracz 等［12］使用聚苯乙烯包被的聚二甲基硅氧烷合成微孔阵列芯片，并应用于类器官高通量成像和单细胞测序分析。然而，鉴于非生理性来源的基质材料可能对类器官培养产生潜在影响，Brandenberg 等［9］尝试以聚乙二醇基水凝胶、明胶、琼脂糖以及海藻酸钠水凝胶等生物相容性良好的材料制备微井阵列。微井阵列芯片的应用显著提高了类器官培养体系的稳定性和标准化程度。

2 类器官芯片之自动化培养方案

为了满足类器官培养过程自动化的需求，Jiang等［13］开发了一个自动化类器官培养分析平台。首先将干细胞和基质胶混合均匀，随后利用微流体液滴打印机在培养孔腔中依次点样，高通量培养出均质化的类器官前体。随着机器人系统和人工智能的进步，在类器官培养过程中利用机器人液体处理系统可以独立执行一系列精确控制的任务，包括初始干细胞分配、培养基的添加和更换、药物测试及实时分析等复杂操作［14-15］。此外，可以通过在类器官芯片上集成物理刺激来模拟体内力学微环境，比如血液或体液灌流过程中的剪切力、肺泡扩张应力、肺部静水压力、心脏收缩应力、肠胃的循环蠕动等以构建高度仿生的类器官模型，以上力学微环境通常在传统的二、三维培养方法中被忽略［11］。另外，微流控系统还能够整合纳米传感系统实现对重要生理参数如pH、氧气和代谢产物浓度的原位自动化监测［16］。通过在类器官芯片上集成高分辨、穿透性强、大视野、高速的成像系统可以实现对类器官发育时空的实时监测，结合人工智能深度学习可以进一步实现即时准确的高通量分析。以上功能模块的集成对实现高通量、自动化的数据获取和分析具有重要意义，将显著推进类器官芯片在高通量筛选等生物医学领域的应用。

类器官的出现为疾病建模、药物筛选和组织发育等领域的研究提供了新的发展契机。利用微流控芯片技术构建高通量自动化的类器官培养体系，可大大提升培养效率，降低人为误差和批次差异，加速类器官转化和应用。然而，目前仍存在一些亟待解决的问题，如基质胶成分不明确以及批次差异大；缺乏成分配比清晰、力学性质可控的新型生物材料；类器官和类器官芯片成像难度高，以及须发展高分辨实时的成像系统［10-11，17］。随着科学技术的进步，高通量自动化的类器官研究平台将更加通用和标准化，能够为临床研究和转化应用提供一站式的类器官培养和检测分析服务。