人体器官芯片是一种可模拟人体器官功能及组织微环境的体外模型。它能够缩短药物研发时间和成本、提升新药研发效率，是生物医学领域引领未来新药发现和精准诊疗范式的变革性前沿技术。为了模拟器官芯片系统中的生理微环境，需要生理相关参数来精确评估药物代谢。氧气含量是维持细胞或组织功能并调节其行为的关键参数。细胞和组织功能极易受微环境氧含量的影响。目前的器官芯片平台除了常规缺氧培养箱中的生理氧合或环境氧浓度外，还补充了标准培养基，其氧含量约为21%，高于几乎所有生理所需的氧含量。并且，每个组织中的生理氧气水平各不相同，范围从 0.5% 到 13%。而这些传统方法都无法同时为不同微组织提供生理所需且具有差异性氧含量的微环境。
基于此，哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授团队开发了一个闭环模块化多器官芯片系统。该系统不仅可以实时监测流动培养基的氧含量，而且能够独立且同时将单一微组织器官芯片中的氧含量严格控制在 4-20% 的范围内。此外，基于该系统进行药物研究表明，氧含量会分别影响并联的肝脏芯片、肾脏芯片和血管芯片的药物代谢。该研究预计可以显著拓宽多器官芯片在疾病建模和药物筛选中的应用。该工作以“A Closed-Loop Modular Multi-Organ-on-Chips Platform for Self-Sustaining and Tightly Controlled Oxygenation”为题，发表在 Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)上。该论文的第一作者是Nan Jiang（姜楠，现四川大学教授）、Guoliang Ying (应国量，现四川大学副研究员）、Yixia Yin（殷义霞）、Jie Guo（郭洁），哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授是通讯作者。体外维持人体组织和器官的代谢活动和功能行为对于药物研究至关重要。传统的2D或3D细胞培养能够保存细胞体外活性。然而与动态细胞培养不同，静态细胞培养通常无法持续供应新鲜培养基，并且难以准确再现体内微环境的生理条件。器官芯片技术实现了体外模拟人体生理或疾病的 3D 器官结构和功能。它能够结合微流控技术实现多个3D 微尺度器官相互作用及药物筛选的研究。因此，器官芯片系统已被广泛采用作为一类强大的药物开发和治疗筛选体外模型。氧含量对器官或组织生理和代谢至关重要，因为它是维持细胞基本功能所必备条件之一。众所周知，典型的体外细胞培养是在 21% 的氧气含量条件下进行的，而细胞在体内经历的氧气水平几乎远低于 21% 或 160 mmHg。事实上，持续暴露于高氧含量的微环境会影响细胞或组织的代谢。缺氧条件对微组织代谢、生理途径和组织重塑也有重大影响，可能会抑制或阻止体外组织细胞的增殖和生长，并且不足以维持呼吸速率，细胞可能会从糖酵解中获取更多能量。因此，在体外实现与体内微环境相关的氧含量控制非常重要。人体内生理氧含量因器官而异，例如动脉血中 10-13%，脑中 0.5-7%，软骨中 1%，肝脏中 10-13%，肾脏中 4-6% 等。因此，在多器官芯片系统中为不同器官创造不同氧含量的微环境应当考虑这一关键问题。此外，由于脂质过氧化反应和活性氧攻击酶和核酸，氧气调控对于组织/器官的药物代谢至关重要。所以，在体外微组织药物毒性中也应考虑氧气控制。为了实现器官芯片中不同氧含量的控制，传统方法是将器官芯片在低氧培养箱中进行培养。尽管这种方法能够使器官芯片稳定维持在任意氧含量的环境中，但是由于使用的标准培养基中的氧含量无法实现自动控制，所以该方法受限于芯片中需要进行多个组织和器官的培养。在微流控芯片中直接降低氧气含量是近年来器官芯片研究的一个热点方向。然而，同时将降低和升高氧气含量的装置结合起来，以自我维持的方式精确控制器官芯片微环境中的氧含量的报道较少。另外，目前大多数降氧和升氧装置用于半开放或开放式的细胞培养，而没有通过循环流动模拟体内微环境。并且，常用的器官芯片平台基于聚二甲基硅氧烷材料，这也增加了外部氧气扩散的难度。因此，有必要在封闭的微循环系统中开发一个控制氧气的（多）器官芯片平台，以重现组织和器官微环境和相关药物研究。该工作中，该团队开发了一种自动化、闭环多器官芯片系统。该系统能够动态、连续、单独可调地控制和监测流动培养基中的氧气水平。该平台由微流控降氧芯片、升氧芯片、迷你荧光显微氧传感系统和三种组织的器官芯片组成，可根据需要独立、精确地调控灌注培养基中的溶解氧含量，以满足每个模块化微组织器官芯片需求的氧含量。这个系统具有四个方面的特点：i）自动化氧气控制和实时监测模块；ii）模块化降氧芯片用于降低器官芯片中的氧含量，使其达到最适合氧含量；iii）模块化升氧芯片用于升高闭环系统中培养基中的氧含量，使其达到标准培养基氧含量。iv）具有相互独立并联构成的三种不同微组织的器官芯片。为了实现整个体系氧含量的有效控制，所有微流控芯片均由聚甲基丙烯酸甲酯制成，并通过热处理密封。通过MATLAB编程，该系统能够以自动化的方式运行至少 7 天。![]()
图1.自动化闭环多器官芯片平台的构建及其用于氧控制和实时监测的研究。该工作分别研究了每个模块化微流控芯片的设计和性能，进一步测试和分析了自动控制系统。通过连续监测实时系统中不同部位的氧含量，并动态调整以适应每个模块化微流控芯片的需求。该工作分别对并联的肝脏、肾脏和血管微组织在不同氧气水平下进行的药物反应进行独立评估。为了实现对微流控器官芯片系统内不同部位的培养基中氧含量进行实时监测，该工作开发了一个基于迷你荧光显微装置的微流控光学氧传感器，通过系统监测传感微珠的荧光发射强度，将其转换为培养基中溶解氧含量。![]()
图2. 微型显微光学氧传感器的构建及氧实时监测性能的研究。为了快速降低标准培养基中的氧含量，本研究设计了一种模块化降氧芯片，该芯片具有双层夹心结构，中间层为聚二甲基硅氧烷薄膜，它能够使上层通道内培养基中的溶解氧分子传输到下层富含降氧剂的溶液中，并通过降氧剂中亚硫酸钠和硫酸钴的作用，快速降低上次微通道内流动培养基的氧含量。为了使氧含量分布均匀，本研究还设计了一种混合芯片，连接于降氧芯片的出口。![]()
闭环器官芯片平台需要培养基在整个系统中长期循环使用。由于氧气不断被系统中的微组织消耗，所以应考虑将氧气水平从低水平提高到标准培养基的氧含量20-21%。本研究设计了一种升氧芯片，它由一个厚度为 50 μm 的 聚二甲基硅氧烷薄膜密封的微流控芯片组成。由于该薄膜对氧分子具有高渗透性，因此可以通过与周围空气中的氧气交换来有效提高溶解氧含量，起到为“血液”(培养基) 供氧的人工呼吸“肺”的作用。![]()
为了保证器官芯片中的氧含量分布与体内吻合，本研究在器官芯片中设计了一种具有 45 个 3D 甲基丙烯酰化明胶固载的细胞点阵列，以模拟微组织结构，并满足培养基流动和氧气交换。在后续实验中，培养基的流速为 200 μL h-1，细胞密度为 1×106 细胞 mL-1。![]()
随后，所有模块化芯片被集成在一起，形成一个闭环模块化多器官芯片系统，其中培养基由蠕动泵循环和驱动。微组织（肝脏、肾脏和血管）芯片的每个分支都各连接着一个独立的降氧和一个氧气传感器，在出口处设置一个升氧芯片，整个系统都设置了自动化控制程序，并在电脑界面控制。为了验证开发的多器官芯片能够独立控制流动培养基中的溶解氧，使其达到独立控制不同器官芯片所需的氧含量，如能够为分别为肝脏芯片和血管芯片提供13%的氧含量，为肾芯片提供5%的氧含量。本研究对各个微组织的细胞活性、代谢活性和组织功能进行了研究，并对比了常规的多器官芯片低氧培养法。研究结果表明，本研究开发的系统能够同时为三种微组织器官芯片提供最佳氧含量的微环境，而常规的方法仅能为某一种或两种微组织器官芯片提供最佳氧含量，而难以满足其他微组织的需求。总之，开发的模块化闭环多器官芯片平台可以独立、严格地控制每个连接的微组织芯片中的氧气水平，以每种微组织自身的最佳含量持续供应培养基。进一步，该工作还对该系统在药物筛选方面进行了深入研究。研究采用了对乙酰氨基酚作为模式药物，结果表明氧含量对药物在三种微组织毒性方面有明显影响。![]()
图6. 在他们的闭环多器官芯片平台中评估氧气对药物毒性的影响。综上所述，本研究开发了一种自动化闭环多器官芯片系统。该系统采用热塑性微流控芯片的模块化设计，以确保密闭循环的微环境，从而独立控制和监测溶解氧含量。所有氧气控制和监测均以实时和自动控制的方式进行，允许在多器官芯片中对药物引起的组织或器官反应进行自我维持研究。研究结果表明，该系统能够在循环流动的培养基中独立提供更符合体内生理环境的氧含量，从而可以研究生理微环境中药物筛选研究。文章信息：
Jiang N, Ying G, Yin Y, Guo J, Lozada J, Valdivia Padilla A, Gómez A, Gomes de Melo BA, Lugo Mestre F, Gansevoort M, Palumbo M, Calá N, Garciamendez-Mijares CE, Kim G-A, Takayama S, Gerhard-Herman MD,Zhang YS*. A Closed-Loop Modular Multi-Organ-on-Chips Platform for Self-Sustaining and Tightly Controlled Oxygenation. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2024, in press.
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2413684121
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