本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第2期
作者：Abdellah Aazmi ， 周竑钊 ， 李雨亭 ， 俞梦飞 ， 许晓斌 ， 吴钰桐 ， 马梁 ， 张斌 ， 杨华勇
来源：Engineered Vasculature for Organ-on-a-Chip Systems[J].Engineering,2022,9(2):131-147.
器官芯片是指包含器官特异性细胞并模拟器官水平功能的微流体装置。器官芯片技术是一种很有前途的三维动态培养方法，可确保准确高效的细胞培养，在临床前试验中具有替代动物模型的巨大潜力。血管系统是人体内最丰富的器官，在氧气交换和物质传递中起着至关重要的作用，是组织器官生存的决定性因素。因此，可以考虑将血管系统集成到器官芯片中，以重建组织和器官微环境及其生理功能。
中国工程院杨华勇院士研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年第2期发表《用于器官芯片的工程化血管系统》一文，讨论了血管与新兴器官芯片技术之间的协同作用，为复现生理学和疾病特征提供了更好的可能性；回顾了血管化的器官芯片制造过程的不同步骤，包括使用不同生物制造策略的结构制造和组织构建；概述了这项技术在器官和肿瘤培养这个有极具吸引力且快速发展的领域的适用性。
转移发生在肿瘤的晚期阶段，当肿瘤细胞通过血管从原始位置扩散到身体的另一位置时，就发生了转移。因此，重建血管化模型对于重现转移是必不可少的。将肿瘤类器官芯片与体外血管化方法相结合，可以产生准确的肿瘤代表模型。Skardal等通过模拟这种具有挑战性的动态现象，设计了一种转移芯片装置。该平台包括相连的PDMS腔室，用于培养结直肠癌类器官和肝脏、肺以及内皮结构。该装置为更好地了解转移机制并帮助确定干预目标提供了一个有前景的机会。
在另一项研究中，Shirure等构建了基于血管生成制造的微血管的原发性乳腺肿瘤类器官芯片模型。该微流控平台包括一个结构稳定的静止血管，能够供养相邻组织腔室中的肿瘤细胞系和人源肿瘤类器官。该装置可以同时检测抗血管生成剂和化疗的影响，可能会对现代临床方法产生重大影响。
四、挑战和未来展望
当前血管化器官芯片的进展为开发新药物测试平台提供了潜力。生物制造方法对于获得所需的物理化学性质仍然至关重要。然而，目前的生物制造技术仍然缺乏空间可控性以及细胞打印分辨率和准确性，然而这对于构建器官型血管化组织至关重要。几种与血管相关的疾病都是基于微观功能障碍的，需要精确的微观重建才能获得有效和高效的体外模型。因此，除了生物打印方法的准确性有限外，精度也可以被视为构建血管化组织的一项重大挑战。
此外，只有少数研究能够使用生物打印技术重建普遍存在的3D血管网络结构。这些限制主要与生物墨水的力学性能不足有关；由于溶胀或相关流变特性，生物墨水通常无法维持所需的形状。组织的结构异质性是模拟体内血管化微环境的另一个基本要求，也是体外模型开发所面临的障碍。基于体素的生物打印方法在构建异构拓扑结构方面非常有效，并且有望克服器官芯片技术中的异质性障碍。因此，开发新的创新生物制造技术以及使标准技术适应工艺和生物墨水是必需且根本的。
对整个制造过程的评估是另一个需要考虑的关键标准。在血管化的器官芯片制造中使用生物打印可以快速构建并将该过程最小化为一个步骤。然而，目前，一体化制造方法无法控制血管的结构复杂性。其他方法通常需要键合步骤，会降低精度并限制仅在2D中创建普遍存在的结构。从2D过渡到3D结构的紧迫性打开了集成智能材料的大门，特别是四维（4D）生物打印材料。
在肿瘤芯片平台中结合人类诱导多能干细胞，揭示了选择这种细胞来源的重要性（为具有高增殖能力的肿瘤疾病建模提供兼容表型）。此外，类器官的最新进展提高了器官芯片装置的准确性。因此，类器官模型和血管化器官芯片的并行以及同步发展可以使两种模型更准确地融合，从而加快个性化医疗的发展。
最后，人体包括一些通常会相互作用的器官，使用标准的体外培养方法很难预测这些相互作用。人体芯片可以控制和实时观察不同器官之间的相互作用。将可灌注的血管和其他器官组织合并到器官芯片装置中，可以提高其在支持多个组织即人体芯片的循环系统中的完整性。除了人体芯片的可灌注结构外，还需要创建一种用于模拟血液的可灌注介质，这也被认为是一项重大挑战。因此，需要开发一种为不同细胞提供营养的通用培养基来支持这项技术。
五、结论
药物检测和疾病分析是全球重要且关键的需求。制造具有模拟真实人体器官的活细胞功能组织的精确装置可以作为克服这些需求的有效解决方案。本文简要介绍了一种用于制造血管和器官芯片的协同方法，证实了其在该领域中的深入研究和发展。
器官芯片通常可以通过五个连续步骤制造。使用软光刻或光刻可以最成功地实现该装置。在器官芯片领域，通常使用生物打印技术构建组织。通过应用以下三种模型中的至少一种，可以将血管集成到器官芯片中：内皮屏障模型、血管形成模型或血管发生模型。这种协同方法的应用已在多个领域得到证实，特别是在肿瘤培养中，表明血管化的肿瘤芯片具有进一步发展的潜力。
最终，许多关于血管和器官芯片的研究不仅表明了它们的重要性，而且还显示出许多局限性。这些应该会激励来自不同领域的科学家开发新的生物制造方法，并以更高的精度和效率实现更好的器官芯片。
注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。
改编原文：
Abdellah Aazmi, Hongzhao Zhou, Yuting Li, Mengfei Yu, Xiaobin Xu, Yutong Wu, Liang Ma, Bin Zhang, Huayong Yang.Engineered Vasculature for Organ-on-a-Chip Systems[J].Engineering,2022,9(2):131-147.
杨华勇，流体传动与控制领域专家，中国工程院院士。
在电液控制基础理论，基础元件和系统，以及盾构和电梯装备关键技术开发和工程应用方面开展了系列的研究，形成了“理论-元件-系统-装备-应用”完整的技术路线，对我国机电液装备的自主研发作出了重要贡献，取得了显著的经济效益。
