先明确药物研究要测什么,再选择芯片配置

双威大学(Sunway University)等机构的研究者在 Biomedical Microdevices 发表肺芯片综述。作者关注一项经常被分开讨论的问题:芯片的结构和运行方式,怎样影响它最终测到的药物反应。

综述按使用目的比较设备,包括屏障运输、吸入暴露、炎症反应及治疗评价。不同目的需要不同的细胞、物理条件和检测指标,作者据此讨论平台间的差别。

作者检索了 2010 年至 2026 年 8 月的相关文献,重点关注 2023 年以来的研究,选取具有工程参数和生物学结果的代表性平台。这是一篇结构化叙述综述,平台示例用于说明设计取舍。

膜、灌流和呼吸形变会改变细胞面对的环境

多孔膜把上皮和内皮分隔开,也决定两侧的分子交换及细胞迁移。膜厚、孔径、材料刚度和表面基质会影响附着、屏障和形变传递;运输研究与免疫细胞迁移研究对膜的要求可能不同。

灌流带来营养、废物和药物的运输,也可对内皮施加剪切力。通道尺寸和液体性质共同影响剪切应力,所以作者建议把流量、几何尺寸与实际机械环境联系起来,评价各自对结果的作用。

呼吸相关的周期性拉伸同样需要量化。综述讨论拉伸幅度、频率、波形和校准,因为动态培养可能改变黏液纤毛成熟、屏障损伤及药物反应。设备在运行时的实际形变,是解释细胞结果的一部分。

综述列举的药物应用包括辐射性肺损伤芯片:模型记录上皮和内皮 DNA 损伤、炎症及屏障变化,再评价泼尼松龙和洛伐他汀。作者用这一例子说明,工程化组织要先产生与目标损伤相关的表型,才能据相应指标评价候选处理。

肺芯片膜、灌流、机械形变及细胞配置与屏障和药物功能的对应关系

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肺芯片的工程设计、细胞环境和生物学功能之间的联系。(Cheong et al. / Biomedical Microdevices, 2026, Fig. 1;CC BY 4.0)

细胞复杂度、样品回收与并行测试需要一起考虑

加入成纤维细胞、巨噬细胞或患者细胞,可以研究更多组织相互作用,也会增加培养兼容性和供者差异。作者主张根据目标功能决定必需的细胞组成,并记录来源、传代和表型。

检测方式也会影响芯片尺寸。较大的培养面积有利于回收 RNA、蛋白和分泌物,缩小芯片则可减少细胞和试剂用量、提高并行数量。电阻、通透性和显微成像还各有电极、采样和光学要求。

制造批次中的通道、膜位置和表面处理变化,可能同时改变流动与屏障表现。综述因此把尺寸检查、漏液与气泡测试、传感器校准,以及细胞和材料的批次追溯纳入质量管理。

设备材料和制造方法改变后,气体透过、光学性能、表面特性及药物吸附也可能变化。作者建议对这些影响重新评价,使新批次或新材料中的暴露和细胞反应与原有使用要求衔接。

作者提出 5 个阶段,逐步检查模型的适用性

第 1 阶段检查设备能否稳定产生设定的物理环境,例如流动、形变和实际暴露。第 2 阶段评价细胞功能,包括屏障、分化、纤毛或免疫迁移,并检查这些功能在实验窗口内是否稳定。

第 3 阶段用参照药物、损伤条件及阴阳性对照检验目标反应,必要时比较浓度反应。第 4 阶段与患者组织、生物标志物或临床反应资料直接对照,判断模型结果和人源参照的一致程度。

第 5 阶段关注批次、操作人员和实验室改变后能否保持性能,以及生产和记录是否支持预定应用。这套阶段划分是综述作者提出的评估框架,接受标准由具体研究目的决定。

从机制研究到药物预测,所需参照资料不同

机制研究可以重点验证工程环境与相应细胞功能;如果要据模型预测治疗或毒性,则还要有匹配的参照数据、预先设定的判定指标,以及对结果一致性的评价。综述据此区分不同应用所需的验证深度。

在人源对照中,作者强调实际比较的指标。例如模型中的某种炎症因子与患者样本一致,支持的是该项反应的对应关系;药物分类或疗效预测还需要相应的临床终点和评价数据。

作者建议协调关键参数的报告、质量控制、参照材料和实验室间重复性。不同肺芯片可以保留各自结构,只要性能指标与使用目的清楚对应,研究者就能更有效地比较和转移方法。

来源与延伸阅读

  1. Engineering Lung-on-a-chip microdevices for respiratory disease modelling and drug testing: A fit-for-purpose framework for design and translational validation. Biomedical Microdevices (2026). ↗