根据研究用途确定模型设计
2020 年，Lucie A. Low 等人在 Nature Reviews Drug Discovery 发表综述，讨论器官芯片怎样用于药物发现与开发。文章既梳理当时已经开展的毒性和疾病研究，也分析模型走向产业应用需要解决的问题。作者将明确用途作为设计的起点：研究者需要先确定希望解决的药物研发问题，再选择组织、细胞和检测指标。
综述强调，器官芯片重建的是组织的重要功能。其讨论的共同特点包括三维组织结构、多种相关细胞，以及与组织有关的力学环境。例如，血管组织需要考虑流动产生的剪切力，肺组织需要考虑呼吸运动。不同芯片对这些特征的实现程度并不相同。
这也影响系统复杂度的选择。研究局部组织反应，可以采用围绕特定功能设计的模型；研究一种器官代谢后对另一种器官的影响，则需要多器官系统。
细胞来源与组织环境影响模型表现
文章比较了细胞系、人源原代细胞和诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）来源细胞。细胞系通常较易获得和操作，有利于重复检测，但长期培养可能偏离原代细胞的表型。原代细胞能保留成年组织特征，也会带来供者差异、批次差异及持续供应的问题。
iPSCs 则提供可再生的细胞来源，并有机会从同一供者获得多个组织的细胞。然而，当时不少分化细胞仍呈现未成熟特征，分化和成熟过程也难以完全标准化。
细胞外基质和空间排列同样影响结果。基质组成会影响细胞形态、极性与功能；加入血管或免疫成分，又增加了不同细胞之间的相互作用。
芯片材料会改变实际药物暴露
在技术设计方面，综述特别讨论了聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）。这种材料透明、柔软，便于制作微流控原型，却可能吸收疏水性小分子。药物被材料吸收后，组织的实际药物暴露就可能偏离加入系统的药物量，培养液中的细胞分泌物也可能受到影响。
作者提出，芯片无论采用哪种材料，都需要表征吸附和吸收特征，并评价材料与细胞的相容性。设计时也应考虑检测方式：观察心肌收缩需要适合成像的结构，记录电活动则需要相应传感器；这些条件共同决定最终能得到什么数据。
器官毒性与患者疾病的药物研究
综述的毒性部分以肝、心、肾等组织为例说明芯片的用途。文中介绍的部分三维肝模型能够维持细胞状态超过 28 天，为研究较长时间的药物作用提供条件；另有肝芯片比较大鼠、犬和人源细胞，观察到药物肝毒性的物种差异。
心脏模型关注收缩、电活动和药物引起的节律变化；肾脏模型则涉及滤过、重吸收及分子转运。综述还介绍，用肾芯片研究多黏菌素 B 肾毒性时发现的胆固醇生物合成通路关联，说明芯片可以帮助探索毒性机制。
其他模型进一步扩展了评价对象：肠道芯片用于研究药物的生物利用度及菌群与组织的相互作用；肺芯片重建气液界面，用于研究药物引起的肺水肿等反应；血管模型可考察单克隆抗体相关的血栓风险。胎盘芯片则关注物质通过母胎屏障的过程，三维神经组织与计算方法被用于发育神经毒性预测。
疾病模型也具有不同用途。文中讨论的肿瘤芯片研究，可以比较药物对患者来源肿瘤组织的作用；源自患者的细胞有望用于研究个体差异。
遗传病模型也能用于解析具体机制。文中以 Barth 综合征为例：患者来源心肌组织重现了肌节排列紊乱和收缩减弱，结合对致病 TAZ 基因的校正，研究者分析了线粒体异常与这些表型的联系。这类患者与同遗传背景对照的比较，可用于研究靶点和疾病机制。
综述还讨论把类器官或生物打印组织与芯片结合。例如，生物打印的血管化心肌组织配合微流控灌流，可连续观察心肌收缩。不同技术在细胞组成、空间结构和流动环境上的优势，能够组合用于特定的药物评价任务。
多器官系统研究代谢与组织间影响
对于需要代谢活化的前药，或可能由代谢产物引起的毒性，肝脏与其他组织的共同研究尤其重要。综述介绍了物理连接的多器官平台，也讨论让不同系统在功能上依次配合的办法，并将这些数据与药代动力学、药效动力学及计算模型结合。
文中一个例子将人肝微组织与胚样体结合：环磷酰胺经肝脏代谢活化后，胚样体分化减少约一半，用于显示代谢过程对发育毒性评价的影响。另有功能上依次配合的系统发现，一种经肝脏活化的菌群代谢物能够穿过血脑屏障。
器官间的影响还包括肠肝炎症交流、肝脏代谢后的心脏毒性，以及内分泌周期。综述介绍的一套女性生殖系统模型整合卵巢组织、输卵管、子宫和宫颈，并加入肝模块，重现了 28 天激素周期，为生殖毒性研究提供了系统层面的模型。
文章报道，当时已有系统整合 10 种器官模型，另有自动化平台维持 8 种血管化器官芯片的活力和器官特异功能达 3 周。这些研究展示了多器官系统的可行性。
主要难点包括器官之间的尺度关系、不同组织所需的营养条件，以及各组织适合的流动环境。将多种培养液简单混合，随着组织数量增加，可能使每个组织都处在不理想的条件下；同一系统中缺失的内分泌信号等因素也需要考虑。
功能验证、人体参照与独立测试中心
综述将验证讨论分为几个相互关联的层面：模型能否稳定呈现所需组织功能，对已知药物是否作出合理反应；这些反应是否具有体内生物学相关性；以及模型数据能否在产业研发和监管评价中使用。
其中，采用动物反应还是人类反应作为比较依据，当时仍存在讨论。作者指出，器官芯片希望预测的是人体反应，因此人源结果具有重要意义；同时，模型需要与既有药物研发资料建立可核对的关系。
美国国家转化科学促进中心（National Center for Advancing Translational Sciences，NCATS）支持的独立测试中心，负责接收开发者模型、考察检测结果的重复性并研究相关参数。综述还介绍了汇集模型数据的数据库，用于比较研究内和研究间的重复性。
验证还需要让数据能够被他人审查。文章援引经济合作与发展组织（Organisation for Economic Co-operation and Development，OECD）的文件，列出评价方法的研究依据、终点及局限、变异程度、参照物表现和与既有方法的比较等要求。数据库可汇集这些证据，帮助不同开发者和使用者比较技术、分析与生物学性能。
产业应用还取决于通量与技术转移
文章最后把生物学表现与实际使用成本一起讨论。复杂器官芯片当时通常通量较低，不适合直接承担需要快速检测大量候选物的全部筛选任务；较简单的系统与复杂多器官系统，在研发不同阶段可能发挥不同作用。
作者进一步按研发阶段提出应用方向：较简单的高通量板式系统可服务于靶点研究、先导化合物选择和优化；较复杂的单器官或双器官系统适合药效与毒性问题；多器官模型则有望配合早期临床试验研究全身反应。患者来源模型还被提出用于后期试验和已批准药物的持续观察。
制造质量、自动化程度和技术转移也会影响采用。研究团队既可购买平台并在自己的实验室实施，也可委托服务方开展研究；前者需要可靠的导入与技术支持，后者则需要确认检测项目是否适合具体问题。
为了建立可转化的评价指标，综述建议把芯片中的分子、组学或功能变化与临床结局配对分析，并同传统生化和病理检测比较。制造方面，作者建议借鉴良好生产规范和良好实验室规范的质量管理要求，提升批量平台与检测结果的可靠性；这些建议仍需在具体用途和验证工作中落实。