组织需要不同培养条件,装置不必一开始就固定组合
把器官芯片用于多组织药物评价时,首先要解决各组织能否形成并保持功能。不同组织的分化与成熟常需要不同培养液;如果所有模块从起始阶段就固定共用通路,一个模块培养失败也会影响整套系统。2015 年,加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的研究团队在 PLOS ONE 提出 μOrgano,以可插拔流体模块改变组织组合的时间。
其思路是先把细胞分别装入独立芯片,让组织在各自条件下形成,再按需接通培养液通路。研究以人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌细胞为主要组织演示,重点检查组合过程是否影响传输、存活和搏动。
可插拔模块改变通路,接口精度和死体积同时检查
μOrgano 由排列在主芯片上的独立微生理系统,以及不同形状的微流体连接件组成。线性连接件可让 2 个单元串联,分叉连接件则可把流体分送到 2 条支路。各单元需要具有位置可匹配的培养液入口与出口,组合方式因此可以在组织培养后再决定。
研究把 3 个装置问题作为设计重点:接口位置要准确、模块间额外体积要尽可能小,组合后还要避免渗漏和气泡。额外体积会改变物质从一个组织到另一个组织所需的时间;这与后续研究动态暴露和组织间物质交换直接有关。
连接件采用玻璃毛细管等结构减小通路体积,同时需要权衡流动阻力。论文分别计算不同毛细管与串联规模下的压力变化,再用实际示踪实验检查液体能否按预期到达下一个组织单元。
实际使用的心脏单元包含中央细胞培养腔、两侧培养液通道和相连的微通道。培养液中的物质主要通过扩散进入细胞培养腔。因此,模块之间的液体运输与物质进入心肌组织的过程属于不同层面,组合通路的检查需要与组织所在单元的设计一起解释。
论文把传统金属连接管的额外体积与玻璃毛细管比较:相同 10 毫米长度下,前者约为 1.3 至 3 微升,后者约为 0.02 至 0.3 微升。减小体积同时会增加流动阻力,较小接口不能只按体积越小越好来选择。

窄屏可横向滑动查看完整图表。
10 套独立装置检查传输重复性
团队以有色水示踪,在每小时 20 微升的流量下,测量液体界面从第 1 套心脏芯片位置到达第 2 套位置所需的时间。不同连接件条件下,传输约需 50 至 150 秒,对应的液体体积约为 0.3 至 0.8 微升。这里测量的是装置流体传输,随后才进入生物学验证。
使用同一类型连接件的 10 套独立系统,传输时间总体接近,仍存在小幅差异。作者将部分变异归因于手工处理导致的毛细管长度不同,并提出更精确的制造有助于减小变异。分叉连接件的另一组检查,则显示输入液体可大致均匀地分到 2 条支路。
压力分析进一步说明了这种权衡。在论文采用的流量与尺寸下,2 套单元串联的计算背压随毛细管条件约为 6 或 10 毫巴;扩大到 10 套串联时,计算值约为 40 或 80 毫巴。这些是装置阻力估算,不是 10 套组织已经完成组合培养的结果。
原文还用连续显微图像检查组合后是否出现气泡,并以 2 种颜色的液体观察接口是否渗漏。这些测试分别量化传输时延、分流稳定性和通路完整性,使组合后的装置质量有具体指标可查。
串联后,2 个心脏芯片仍保持各自搏动
生物学检查先采用 3T3 成纤维细胞,通过活/死染色观察 2 个组合单元中的细胞存活。心脏部分则先独立培养人 iPSC 心肌组织 3 天,待组织形成稳定搏动后,转为串联培养,并在 24 小时后以视频观察和运动分析评价功能。运动跟踪分析记录组织收缩与舒张对应的运动峰,再计算搏动频率;2 套组织的功能分别测量。
2 个心脏模块在串联后均保留持续而均匀的搏动,但频率各自独立。培养液通路共用,并没有使 2 份组织同步起搏。研究将其视为在模块组合后仍能保留独立组织表型的可行性演示。
实际完成的是组合培养,跨器官药物评价仍属后续用途
论文展示的生物学组合是 2 套心脏芯片;图中的心脏、脂肪和肝脏组合属于设计说明。作者指出,不同器官共用的培养液仍是尚待解决的问题,并提出将来可通过改变组织数量、加入疾病单元或设置旁路,构建更灵活的系统。
对于药物研究,μOrgano 提供的直接经验是把组织形成与流体组合分开安排,并在组合后重新检查装置和组织功能。其潜在用途包括药物筛选、药理和药代研究;原研究提供的是流体传输和细胞功能证据,未报告具体药物的跨器官代谢或毒性预测结果。