高通量自動化類器官芯片研究進展

孟繁露，韓益明，修繼冬，黃建永

類器官是干細胞自組織形成的三維多細胞體外培養物［1-2］，常被看作微小的器官簡化模型，在生長發育、疾病建模和藥物開發等研究領域展現出巨大潛力，已成為組織工程和再生醫學的重要發展方向［3-4］。傳統的類器官培養體系基于手動操作構建基質膠三維培養微環境，通過操控細胞因子等生化信號驅動干細胞增殖分化，并自組織形成類器官［5-6］。然而，類器官作為新興培養體系在諸多方面仍有待優化：（1）基質膠的批次間差異（包括物理特性和生長因子含量等的差異）直接影響了類器官培養物的批次穩定性。（2）類器官在基質膠中隨機分布會引起空間密度和間距差異，從而誘導類器官表型發生不可控變異。（3）上述空間分布的隨機性使類器官處于不同焦平面，從而為高精度快速成像檢測帶來挑戰。（4）頻繁的手動操作會引入人為誤差，從而影響培養體系穩定性［7-9］。

微流控芯片技術又稱“芯片實驗室“，見圖1。利用微納加工手段把多因素的復雜反應體系集成到一塊芯片上，在精準控制下自動完成培養、實驗和分析的全過程。因此發展高通量自動化的類器官芯片，對于克服傳統類器官培養體系的缺陷，實現類器官培養過程的標準化，進而加速其轉化應用具有重要意義［10-11］。

Fig.1 Overview of high throughput automated organoid-on-a-chip system圖1 高通量自動化類器官芯片概覽

1 類器官芯片之高通量均質化培養方案

類器官高通量培養可以通過微井陣列、微流體液滴、微柱陣列等培養體系實現。其中，微井陣列是三維高通量類器官培養中應用最廣泛的一種方法［11］。微井陣列芯片通常由一系列形狀規則的微腔（如“V”和“U”形）組成，被廣泛用于高通量（＞1 000個微井）均質性類器官培養的研究。在類器官培養伊始，單個微井結構可促進干細胞快速聚集，這是培養具有均勻尺寸類器官的關鍵步驟。微井結構將類器官培養體系有效地劃分為規則的陣列，一方面提高了培養通量，另一方面提供了幾何限制和微環境信號，最終引導類器官發育成熟［9］。近年來多項研究還聚焦于微井陣列基質材料的優化。Gracz 等［12］使用聚苯乙烯包被的聚二甲基硅氧烷合成微孔陣列芯片，并應用于類器官高通量成像和單細胞測序分析。然而，鑒于非生理性來源的基質材料可能對類器官培養產生潛在影響，Brandenberg 等［9］嘗試以聚乙二醇基水凝膠、明膠、瓊脂糖以及海藻酸鈉水凝膠等生物相容性良好的材料制備微井陣列。微井陣列芯片的應用顯著提高了類器官培養體系的穩定性和標準化程度。

2 類器官芯片之自動化培養方案

為了滿足類器官培養過程自動化的需求，Jiang等［13］開發了一個自動化類器官培養分析平臺。首先將干細胞和基質膠混合均勻，隨后利用微流體液滴打印機在培養孔腔中依次點樣，高通量培養出均質化的類器官前體。隨著機器人系統和人工智能的進步，在類器官培養過程中利用機器人液體處理系統可以獨立執行一系列精確控制的任務，包括初始干細胞分配、培養基的添加和更換、藥物測試及實時分析等復雜操作［14-15］。此外，可以通過在類器官芯片上集成物理刺激來模擬體內力學微環境，比如血液或體液灌流過程中的剪切力、肺泡擴張應力、肺部靜水壓力、心臟收縮應力、腸胃的循環蠕動等以構建高度仿生的類器官模型，以上力學微環境通常在傳統的二、三維培養方法中被忽略［11］。另外，微流控系統還能夠整合納米傳感系統實現對重要生理參數如pH、氧氣和代謝產物濃度的原位自動化監測［16］。通過在類器官芯片上集成高分辨、穿透性強、大視野、高速的成像系統可以實現對類器官發育時空的實時監測，結合人工智能深度學習可以進一步實現即時準確的高通量分析。以上功能模塊的集成對實現高通量、自動化的數據獲取和分析具有重要意義，將顯著推進類器官芯片在高通量篩選等生物醫學領域的應用。

類器官的出現為疾病建模、藥物篩選和組織發育等領域的研究提供了新的發展契機。利用微流控芯片技術構建高通量自動化的類器官培養體系，可大大提升培養效率，降低人為誤差和批次差異，加速類器官轉化和應用。然而，目前仍存在一些亟待解決的問題，如基質膠成分不明確以及批次差異大；缺乏成分配比清晰、力學性質可控的新型生物材料；類器官和類器官芯片成像難度高，以及須發展高分辨實時的成像系統［10-11，17］。隨著科學技術的進步，高通量自動化的類器官研究平臺將更加通用和標準化，能夠為臨床研究和轉化應用提供一站式的類器官培養和檢測分析服務。