芯片可以說是高科技產品的“大腦”，手機、電腦、數控設備等都離不開它的支撐。然而，芯片不僅僅用於這些高科技產品，還可以作為人體器官重建的載體。
人體器官芯片是近年來發展起來的前沿生物技術。它也是生物技術中一個非常獨特且充滿活力的新興領域。它集物理、化學、生物、醫學、材料科學、工程和微機電於一體。一門學科，被譽為“十大新興技術”之一。近日，中國科學院大連化學物理研究所秦建華研究員團隊利用該技術設計研發了新型多層微流控芯片器件。在硬幣大小的塑料芯片上培養的人類多能幹細胞不僅具有優異的生物相容性，還可以衍生出體內高度模擬的胰島類器官。
據悉，芯片上生長的類器官首次具有與人體內胰島組織類似的功能。它不僅含有與人體相似的多種胰島細胞類型，而且具有良好的胰島素分泌能力和對葡萄糖刺激的反應。近日，該研究成果作為封麵文章發表在英國雜誌《Lab on a Chip》上。
芯片上的胰島類器官是“活躍的”
隨著人口老齡化和生活方式的改變，我國已成為糖尿病發病人數最多的國家，給患者、社會和家庭帶來巨大負擔。由於糖尿病發病機製複雜，其臨床表現為血糖升高，並伴有心血管疾病、腎功能衰竭等多種並發症。主要病理變化是胰島素分泌缺陷或胰島功能進行性損害。特別是I 型糖尿病，通常需要終生胰島素治療，因為它本身不能產生胰島素。
盡管糖尿病治療技術不斷創新，但胰島損傷的修複與重建一直是國際研究領域的難點。胰島類器官的體外重建對於糖尿病機製研究、胰島移植治療和藥物開發具有重要意義。
作為首個將芯片器官技術引入幹細胞類器官打造胰島類器官的創新研究，秦建華團隊將幹細胞自組裝原理與生物工程方法相結合，打造出一種多功能的類器官。分層可灌注微流控器官芯片。實現了人多能幹細胞的內胚層誘導分化、3D細胞培養、胰島組織發育和類器官形成等過程，最終製備出功能性“仿生”胰島類器官。
研究發現，芯片上胰島培養環境中的機械流體因素對於促進類器官的發育、功能成熟和維持非常有益。 “體外胰島類器官的構建與體內環境存在很大差異，如何獲得合適的體外培養環境是難點和關鍵。”秦建華告訴科技日報記者。
為了解決這個問題，他們從類器官芯片的仿生設計和製備入手，模擬體外組織器官生長所需的複雜微環境，如生物體液、機械刺激、細胞間相互作用、生化因子濃度等，形成了有利於組織和器官生長的係統。指導幹細胞定向分化生長和類器官形態發生的條件。
據介紹，器官芯片內應用的生物力學因素不僅可以促進類器官形成過程中的營養物質交換，還可以促進類器官的血管化和成熟，這將為製造具有關鍵功能的重要組織和器官提供一種途徑。體外。新的策略和想法。
在芯片上生長的一係列“迷你”類器官
近年來，秦建華團隊一直致力於人體器官芯片和生物醫學的跨學科研究，讓這些“迷你”類器官模型和高科技生物技術能夠更貼近人們的生活，改善人類的生活和健康。目前，團隊已創新建立了一係列“仿生”器官芯片係統，成功培養了腦、肝、心髒等多種重要的人體類器官，並嚐試將其用於環境暴露和藥物研究在生命早期進行測試。
大量人群研究發現，孕期接觸病原體、藥物和環境汙染物是導致流產或胎兒大腦發育異常的重要因素，並與成年後易患糖尿病、心血管疾病等主要慢性疾病有關。然而，迄今為止仍缺乏合適的體外模型來支持相關領域的深入研究。
經過大量的前期實驗，研究團隊利用芯片器官技術模擬大腦中的動態微環境，培育出具有複雜結構和功能的大腦類器官。這些幹細胞來源的大腦類器官可以再現人類大腦的早期發育過程，包括特定神經元的分化特征、不同的大腦區域和皮質結構。它們還可用於探索暴露於不同環境因素對胎兒大腦發育的影響。研究還發現，酒精、尼古丁和重金屬鎘會影響人類神經前體細胞的分化，誘發不同腦區和皮質的發育異常，並可能對胎兒大腦發育產生不良後果。這些研究為腦疾病藥物開發等提供了新模型。
此外，他們還設計開發了肝髒類器官芯片裝置，並通過陣列灌注芯片生成了大量功能化的微型肝類器官。這些類器官含有肝細胞和膽管細胞，具有與人類肝髒相似的白蛋白和尿素分泌功能，以及對特定藥物的毒性反應。它們可進一步用於構建肝病模型、移植實驗和藥物篩選。
秦建華透露，在後續的研究中，團隊還將整合多學科方法和協作策略，進一步完善這些類器官的生物學功能，甚至研究不同器官之間的相互作用，以解決類器官構建的關鍵瓶頸。從而在體外獲得結構和功能更加“模擬”的3D人體器官模型，可以為生命醫學研究、組織器官重建、藥物研發提供新的策略和平台。
“未來，這些類器官芯片設備還可以與多種生物傳感器集成，監測對外部刺激的反應，例如測試不同個體或患者的類器官對藥物的反應或進行高通量藥物分析篩選。這將大大降低動物試驗成本，有助於新藥的研發。”秦建華說。
