體外生物學(xué)模型對(duì)于廣泛的生物醫(yī)學(xué)研究至關(guān)重要，包括藥物開發(fā)、病理學(xué)研究和個(gè)性化醫(yī)療。作為體外3D生物模型的潛在變革范例，器官芯片（OOC）已得到廣泛開發(fā)。OOC的關(guān)鍵功能是支持對(duì)活體組織及其微環(huán)境進(jìn)行多方面的及時(shí)分析，因此智能OOC系統(tǒng)受到了越來越多的關(guān)注。

近日，來自加拿大多倫多大學(xué)的Xinyu Liu聯(lián)合西安交通大學(xué)的Jiankang He探討了智能OOC（iOOC）系統(tǒng)的最新進(jìn)展，并對(duì)促進(jìn)iOOC系統(tǒng)興起的原位傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理方法和動(dòng)態(tài)調(diào)制組件進(jìn)行了全面分析。此外，該綜述對(duì)iOOC系統(tǒng)組件的潛在機(jī)制、技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)研。當(dāng)與iOOC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和動(dòng)態(tài)調(diào)制組件相結(jié)合時(shí)，來自集成傳感器的數(shù)據(jù)流可以形成一個(gè)閉環(huán)，用于精確控制iOOC模型，并可以促進(jìn)深入的生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)（例如，用于優(yōu)化藥物劑量的藥代動(dòng)力學(xué)/藥效學(xué)研究）。因此，iOOC系統(tǒng)具有成為各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中可靠和有效的工具的巨大潛力。相關(guān)綜述論文以“Advancing Intelligent Organs-on-a-Chip Systems with Comprehensive in situ Bioanalysis”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。

圖1 iOOC系統(tǒng)示意圖

OOC向iOOC系統(tǒng)的演進(jìn)

OOC技術(shù)已得到廣泛開發(fā)，以解決傳統(tǒng)2D細(xì)胞培養(yǎng)的局限性，例如無(wú)法構(gòu)建異質(zhì)細(xì)胞群和細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境的3D組織特異性結(jié)構(gòu)。OOC技術(shù)源于微流控與組織工程的融合（圖2）。雖然組織工程的最初目標(biāo)是再生人體組織，但該技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了各種構(gòu)建3D組織結(jié)構(gòu)的方法，這些結(jié)構(gòu)可能由細(xì)胞外基質(zhì)材料、支架結(jié)構(gòu)以及各種細(xì)胞的預(yù)定義組成和排列組成。設(shè)計(jì)OOC的主要范式是重建特定組織的組成和微環(huán)境的關(guān)鍵方面，微流控和組織工程技術(shù)為OOC的發(fā)展帶來了三個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

由于傳感器和OOC之間的集成，智能OOC（iOOC）系統(tǒng)將興起：不同的傳感單元不斷報(bào)告OOC模型的狀況，并使用詢問模型的算法處理數(shù)據(jù)流或使用OOC中的有源組件對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。iOOC系統(tǒng)可以建立更可控、更準(zhǔn)確、更可靠的體外模型，并可以加深對(duì)生理和病理活動(dòng)的理解。

圖2 器官芯片系統(tǒng)的演變

iOOC系統(tǒng)的原位傳感

與iOOC系統(tǒng)集成的各種傳感單元收集關(guān)鍵的生物信息并生成為智能功能奠定基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)流。在該論文中，作者概述了將傳感單元集成到iOOC系統(tǒng)中的技術(shù)，然后分析傳感單元的集成方法。

（1）iOOC系統(tǒng)的傳感技術(shù)

已經(jīng)建立了許多方法將細(xì)胞和微環(huán)境的屬性轉(zhuǎn)換為可以用電路輕松處理的電信號(hào)。此部分，主要總結(jié)了基于電生理信號(hào)記錄以及電阻和阻抗測(cè)量的iOOC系統(tǒng)的原位電傳感技術(shù)（圖3A）。電化學(xué)生物傳感器將與電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的生物信息轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)，例如電導(dǎo)、電阻和電極表面電容的變化（圖3B）。一般來說，電化學(xué)生物傳感機(jī)制提供高特異性、寬動(dòng)態(tài)范圍、易于定量的電輸出以及方便的集成。它們通常適用于檢測(cè)指向多種信息的分子生物標(biāo)志物。特別是，集成在器官芯片上的電化學(xué)生物傳感器可以以多重方式檢測(cè)多種生物標(biāo)志物。此外，還有iOOC系統(tǒng)的光學(xué)傳感技術(shù)、機(jī)械傳感技術(shù)均對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)說明。

圖3iOOC系統(tǒng)生物傳感的電傳感機(jī)制

（2）將傳感器集成到iOOC系統(tǒng)中的策略

傳感單元應(yīng)與iOOC系統(tǒng)無(wú)縫集成，以持續(xù)生成支撐系統(tǒng)智能的有價(jià)值的數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)高性能監(jiān)測(cè)，傳感機(jī)制應(yīng)與目標(biāo)相匹配，并且傳感器的功能在微流控、動(dòng)態(tài)和組織涉及的微環(huán)境中應(yīng)具有魯棒性，因?yàn)榭赡艽嬖谧枘嵝?yīng)、改變離子分布和其他干擾。

人們提出了多種策略將傳感單元集成到iOOC系統(tǒng)中。主要有：（i）與組織直接結(jié)合：傳感結(jié)構(gòu)可以與體外活組織或類器官建立接觸和整合，以連續(xù)記錄反映這些模型生理狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)。作者總結(jié)了生物傳感單元與活體組織集成的形式，包括離散探針、2D接觸、3D包裹和3D嵌入（圖4、圖5）。（ii）其他整合策略：傳感單元可以放置在微流控環(huán)境中，而無(wú)需直接接觸組織，一種典型的方法是將傳感單元合并到微流控通道或室中以監(jiān)測(cè)培養(yǎng)基的狀況；此外，傳感單元可以制成可移動(dòng)的以探測(cè)局部組織或培養(yǎng)基。

圖4 2D接觸和3D包裹形式的傳感器-組織集成

圖5 3D嵌入形式的組織傳感器集成

（3）在iOOC系統(tǒng)中感測(cè)多模態(tài)信息

iOOC系統(tǒng)中的組織模型構(gòu)成了對(duì)生物醫(yī)學(xué)有價(jià)值的復(fù)雜細(xì)胞信息的中心。在該論文中，作者總結(jié)并討論了有關(guān)生物標(biāo)志物、細(xì)胞-細(xì)胞連接、生物電活動(dòng)和生物力學(xué)活動(dòng)的細(xì)胞信息的解釋。

細(xì)胞培養(yǎng)微環(huán)境的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和控制對(duì)于體外生物模型的成功至關(guān)重要，因?yàn)槲h(huán)境的變化會(huì)影響細(xì)胞的代謝和功能表達(dá)。為了在體外盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)體內(nèi)細(xì)胞或組織的反應(yīng)，需要在iOOC系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)氧含量、pH值和溫度等各種微環(huán)境信息。

iOOC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

iOOC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術(shù)的作用可以從兩個(gè)方面來考慮。首先，數(shù)據(jù)處理可用于調(diào)整iOOC系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)部件，以確保精確調(diào)制并使系統(tǒng)更加自動(dòng)化。其次，數(shù)據(jù)處理可以帶來對(duì)發(fā)育、生理和病理過程的更多生物醫(yī)學(xué)見解。在該論文中，作者介紹了可用于處理iOOC系統(tǒng)生物分析數(shù)據(jù)的方法，包括圖像分析、傳感數(shù)據(jù)解釋、自動(dòng)化和數(shù)值模擬。

（1）iOOC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

作為人工智能和計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要課題，機(jī)器學(xué)習(xí)算法直接從數(shù)據(jù)中解釋信息，而不依賴于預(yù)定模型（例如指定的標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)曲線），通常用于分類、回歸和聚類等工作（圖6A ~ 6D）。分類本質(zhì)上是將數(shù)據(jù)點(diǎn)分配給離散類別，回歸生成連續(xù)值作為輸出，聚類本質(zhì)上預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集中相似數(shù)據(jù)點(diǎn)的分組。這些算法隨著數(shù)據(jù)量的增加而提高其性能。

圖6iOOC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

（2）iOOC系統(tǒng)的數(shù)值模擬技術(shù)

可以采用有限元法、格子玻爾茲曼法、平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)等數(shù)值模擬技術(shù)來深入了解iOOC系統(tǒng)的物理和化學(xué)環(huán)境。數(shù)值模擬技術(shù)有助于消除重復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量（例如剪切應(yīng)力和氧氣分布）的需要，并允許以較低的成本優(yōu)化iOOC系統(tǒng)。此外，這些技術(shù)可以提高對(duì)iOOC系統(tǒng)微環(huán)境中物理現(xiàn)象和組織行為的理解。

（3）iOOC系統(tǒng)的閉環(huán)控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)更高水平的質(zhì)量控制并準(zhǔn)確調(diào)整iOOC系統(tǒng)中的模型條件，可以利用依賴于傳感器數(shù)據(jù)流的閉環(huán)控制（也稱為反饋控制）技術(shù)。在工程設(shè)備廣泛采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)量實(shí)際輸出信號(hào)并將其與所需輸出信號(hào)進(jìn)行比較，以計(jì)算誤差項(xiàng)，該誤差項(xiàng)用于生成調(diào)整輸入的控制信號(hào)（圖6E）。

iOOC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)制

生物組織對(duì)其微環(huán)境中的各種外部刺激敏感，越來越多的研究證明，各種細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）和細(xì)胞-細(xì)胞相互作用可以導(dǎo)致廣泛的組織特異性表型。iOOC系統(tǒng)為加深對(duì)這種復(fù)雜相互作用的理解提供了新的機(jī)會(huì)，因?yàn)榭梢圆渴鸺傻竭@些系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)組件來控制微環(huán)境并調(diào)整組織模型以代表生理和病理?xiàng)l件。iOOC系統(tǒng)中的某些組件可以執(zhí)行傳感和調(diào)制的綜合功能，支持iOOC模型的雙向原位表征，以揭示更深入的生物醫(yī)學(xué)見解。

（1）iOOC系統(tǒng)的機(jī)械載荷：在具有動(dòng)態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境的OCC系統(tǒng)中應(yīng)用機(jī)械載荷對(duì)于在體外建立類組織的生理微環(huán)境至關(guān)重要。為了產(chǎn)生動(dòng)態(tài)拉伸和壓縮，通常需要專門的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，而在OOC中可以通過控制流體動(dòng)力學(xué)來精確調(diào)節(jié)剪切應(yīng)力（圖7）。

圖7 iOOC系統(tǒng)中的機(jī)械調(diào)制原理圖

（2）iOOC系統(tǒng)的電刺激：多種細(xì)胞行為受到內(nèi)源電流和電位的調(diào)節(jié)，因此iOOC系統(tǒng)中經(jīng)常需要電刺激。為了產(chǎn)生特定目的的可控電刺激，需要仔細(xì)配置相應(yīng)的電元件。許多結(jié)合電刺激的OOC設(shè)備被設(shè)計(jì)用于研究肌肉、心臟和神經(jīng)系統(tǒng)（圖8A）。

圖8 iOOC系統(tǒng)中的電氣和化學(xué)調(diào)制原理圖

（3）iOOC系統(tǒng)的化學(xué)處理：準(zhǔn)確的體外生理模型通常需要時(shí)間和空間可控的化學(xué)環(huán)境。通過微流控技術(shù)，可以在整個(gè)裝置的可調(diào)節(jié)流體流量?jī)?nèi)精確控制化學(xué)相互作用和分布，以匹配與細(xì)胞成分相同的規(guī)模。微流控裝置中可以使用化學(xué)信號(hào)發(fā)生器，向細(xì)胞引入隨時(shí)間變化的化學(xué)信號(hào)，以便研究組織對(duì)動(dòng)態(tài)變化的化學(xué)信號(hào)的反應(yīng)（圖8B）。

未來展望

（1）傳感單元

iOOC系統(tǒng)中生物傳感單元的未來發(fā)展可以充分利用生物傳感器和生物電子學(xué)領(lǐng)域的新興技術(shù)和策略。在傳感材料和制造方法方面研究進(jìn)展的推動(dòng)下，生物傳感器和生物電子學(xué)正在獲得越來越強(qiáng)大的能力，例如高靈敏度、高小型化以及與活體組織改善的機(jī)械相容性。因此，它們更適合集成到iOOC系統(tǒng)中。

（2）數(shù)據(jù)處理

隨著iOOC系統(tǒng)的不斷發(fā)展，將培養(yǎng)、維護(hù)、監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)各種各樣的組織模型，這將構(gòu)成有價(jià)值的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的重要來源。例如，iOOC系統(tǒng)可以形成具有不同細(xì)胞組成和微環(huán)境的組織模型以模擬特定疾病狀況，并且iOOC系統(tǒng)可以支持對(duì)組織模型的不同區(qū)域進(jìn)行各種連續(xù)生物分析以檢測(cè)空間異質(zhì)性。此外，iOOC系統(tǒng)的多模態(tài)傳感數(shù)據(jù)可以與組織模型的多組學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，以對(duì)生物機(jī)制產(chǎn)生更深入、更全面的理解。

（3）調(diào)節(jié)單元

iOOC系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)單元可以通過利用技術(shù)發(fā)展和生物醫(yī)學(xué)研究的進(jìn)步來尋求更深入的組織整合和更有效的擾動(dòng)，如軟生物電子元件、新型微米和納米級(jí)結(jié)構(gòu)等。

（4）智能芯片人系統(tǒng)

連接不同器官微型模型的人體芯片設(shè)備的出現(xiàn)，為研究人體器官的復(fù)雜相互作用和獲得對(duì)生理學(xué)和病理學(xué)的系統(tǒng)見解提供了可能性。當(dāng)iOOC系統(tǒng)集成人體芯片模型時(shí)，由多個(gè)傳感器支持的原位生物分析可以增強(qiáng)這些模型充分發(fā)揮其潛力。

（5）iOOC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化

質(zhì)量控制已被OOC技術(shù)研發(fā)界視為一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，非常需要OOC的標(biāo)準(zhǔn)化，以對(duì)臨床實(shí)踐和制藥行業(yè)產(chǎn)生重大影響iOOC系統(tǒng)的發(fā)展可能會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)生多方面的影響。

審核編輯：劉清