叢燁 王佑平 韓夏荷 鄧權(quán)峰 羅勇 張秀莉

摘要 微流控器官芯片技術(shù)的學(xué)術(shù)研究正在蓬勃發(fā)展，其在毒效學(xué)方面也又有了越來(lái)越多的應(yīng)用。該技術(shù)能實(shí)時(shí)地、連續(xù)地進(jìn)行指標(biāo)測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)藥物毒性的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。其次，該技術(shù)可將藥物代謝過(guò)程與靶器官的損傷過(guò)程進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)藥物代謝物的毒效評(píng)價(jià)。最后，器官芯片上如全部采用人源細(xì)胞，可有效避免因種屬差異帶來(lái)的假陽(yáng)性/假陰性。正是由于上述優(yōu)勢(shì)，多種臟器的微流控器官芯片都曾用于藥物的毒性評(píng)價(jià)研究，本文將重點(diǎn)介紹用于肝毒性、腎毒性、心臟毒性的器官芯片的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞 器官芯片;藥物毒性;藥物代謝;肝毒性;腎毒性;心臟毒性

Organ-on-chip Technology for Drug Toxicity Evaluation

CONG Ye1，WANG Youping2，HAN Xiahe2，DENG Quanfeng2，LUO Yong1，ZHANG Xiuli2

（1 Dalian University of Technology，Dalian 116024，China; 2 College of Pharmaceutical Sciences，Soochow University，Suzhou 215123，China）

Abstract The academic research of organ-on-chip technology is developing vigorously.It also has more and more applications in toxicology.The technology can carry out real-time and continuous index measurement to dynamically evaluate the toxicity of drugs; secondly，the technology can integrate drugs metabolic process with the damage process of the target organ to realize the toxicity evaluation of drug metabolites.Finally，the organ-on-a-chip technology can all use human cells，effectively avoiding false positives/false negatives due to species differences.It is precisely because of the above advantages that microfluidic organ chips for various organs have been used in drug toxicity evaluation studies.This paper will focus on the progress of organ chips for liver toxicity，nephrotoxicity，and cardiotoxicity.

Keywords Organ-on-a-chip; Drug toxicity; Drug metabolism; Hepatotoxicity; Nephrotoxicity; Cardiotoxicity

中圖分類(lèi)號(hào)：R285;TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2020.23.002

器官芯片屬于微流控芯片的一種特殊亞型，而微流控芯片是研究微米、亞微米尺度流體控制技術(shù)的一個(gè)分支。最初，微流控芯片與微色譜法和毛細(xì)管電泳結(jié)合，被用于構(gòu)建一個(gè)“μ-TAS”或“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”模型，以取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析方法[1]。之后，隨著微流控芯片技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們開(kāi)始將其應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)和細(xì)胞分析領(lǐng)域，并在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了芯片上的細(xì)胞培養(yǎng)、芯片上活體微環(huán)境的模擬和構(gòu)建、單細(xì)胞分析芯片以及更進(jìn)一步的“器官芯片”模型[2-3]。

器官芯片的目標(biāo)是能夠在體外模擬人體器官的功能。為了達(dá)到該目標(biāo)，它將細(xì)胞微環(huán)境、細(xì)胞共培養(yǎng)和細(xì)胞間的相互作用等多種因素整合到了微流控芯片上。具體而言，器官芯片可以根據(jù)細(xì)胞類(lèi)型準(zhǔn)確地調(diào)整與其生長(zhǎng)和功能相關(guān)的環(huán)境條件，流動(dòng)的培養(yǎng)基可以控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，從細(xì)胞周?chē)コe累的細(xì)胞廢物或次生代謝產(chǎn)物。此外，它還能調(diào)節(jié)氧合水平，提供剪應(yīng)力，保證細(xì)胞層的屏障完整性，并能控制細(xì)胞在體外的遷移[4]。在器官芯片上，人們可以利用細(xì)胞重現(xiàn)許多傳統(tǒng)體外模型難以實(shí)現(xiàn)的功能。例如，重建組織屏障功能，培養(yǎng)實(shí)質(zhì)組織，整合多種器官功能[5]。在過(guò)去的十年中，關(guān)于在芯片上構(gòu)建有機(jī)系統(tǒng)的學(xué)術(shù)研究不斷推陳出新，研究人員實(shí)現(xiàn)了許多器官芯片技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

器官芯片技術(shù)與類(lèi)器官技術(shù)各有側(cè)重點(diǎn)，器官芯片技術(shù)強(qiáng)調(diào)微尺度對(duì)細(xì)胞微環(huán)境的調(diào)控，類(lèi)器官技術(shù)強(qiáng)調(diào)干細(xì)胞的分化和自組裝[6]。近些年越來(lái)越多的研究將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，即在微通道中，利用各種方法，對(duì)干細(xì)胞的微環(huán)境進(jìn)行持續(xù)的調(diào)控，幫助其分化和自主裝成具有特異質(zhì)性細(xì)胞的類(lèi)組織。2019年，Dongeun Huh對(duì)該主題的最新應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了綜述，發(fā)表在Science上[7]。

藥物毒性評(píng)價(jià)是新藥研發(fā)的重要組成部分。藥物毒性評(píng)價(jià)的難點(diǎn)是在只有人源細(xì)胞和整體動(dòng)物2個(gè)主要“工具”的情況下，評(píng)價(jià)候選藥物對(duì)人體器官可能造成的傷害程度。動(dòng)物模型具有整體性，但與人體具有種屬差異[8]，人源細(xì)胞沒(méi)有了該差異性，但整體性不強(qiáng)。而器官芯片技術(shù)剛好可以填補(bǔ)中間的空缺，它既可以保證人源性的細(xì)胞，又能表現(xiàn)出多種細(xì)胞相互作用后的毒效結(jié)果，即器官層面的毒效作用，而且還是在少量測(cè)試樣品的基礎(chǔ)上。上述特性正是中藥毒效評(píng)價(jià)亟需的。當(dāng)前的中藥毒效研究，多集中于化合物-細(xì)胞，和提取物（組分）-動(dòng)物這2個(gè)層面，中間的多化合物——器官層面的研究因?yàn)闃悠泛驮u(píng)價(jià)方法的缺乏，鮮少有人研究。而器官芯片技術(shù)剛好具有樣品需求量小和器官表觀功能的特性，未來(lái)在中藥毒效評(píng)價(jià)中將大有可為。

為了研究候選藥物對(duì)人體不同器官的毒性作用，科學(xué)家利用多種生物組織工程技術(shù)，構(gòu)建了許多器官芯片，例如肝臟[9]、腎臟[10]、心臟[11]、神經(jīng)[12]和多器官芯片[13]。在這篇綜述中，我們將重點(diǎn)介紹用于肝毒性、腎毒性、心臟毒性的器官芯片的進(jìn)展。

1 用于藥物肝毒性評(píng)價(jià)的肝芯片

1.1 肝臟及藥物肝毒性 肝臟是人體內(nèi)最大的內(nèi)臟，以代謝功能為主，并在身體里面起著去氧化、儲(chǔ)存肝糖、分泌性蛋白質(zhì)的合成等作用，也是外源性物質(zhì)與內(nèi)源性物質(zhì)發(fā)生生物轉(zhuǎn)化、解毒的主要場(chǎng)所，是藥物毒性重要的靶器官。藥物肝損傷（Drug-induced Liver Injury，DILI）是急性、慢性肝病的重要致因，也是新藥研發(fā)失敗的主要原因。因此，進(jìn)行藥物的肝毒性測(cè)試是藥物研發(fā)中的關(guān)鍵步驟。

1.2 用于藥物毒性檢測(cè)的肝芯片 目前常用于安全性評(píng)價(jià)的模型是在體模型和體外模型，在體模型主要為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，它一直以來(lái)是毒性研究的金標(biāo)準(zhǔn)，但是實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)財(cái)力、而且存在倫理、動(dòng)物福利等問(wèn)題，與人類(lèi)的種屬差異不容忽視[14];而體外評(píng)價(jià)模型常使用永生化細(xì)胞系和原代分離的肝細(xì)胞，有限的通量，活力喪失快以及肝臟特異性功能和基因表達(dá)的降低是這些模型的常見(jiàn)缺點(diǎn)[15]。因此，建立既能保留體內(nèi)細(xì)胞微環(huán)境的物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、模擬體內(nèi)肝臟組織各項(xiàng)功能、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期重復(fù)給藥，在進(jìn)行藥物安全性評(píng)價(jià)時(shí)又能達(dá)到高效、準(zhǔn)確、直觀、可控的體外肝毒評(píng)價(jià)體系是目前藥物肝毒性研究的熱衷方向。Bhise等[16]開(kāi)發(fā)了一種用于長(zhǎng)期培養(yǎng)人HepG2細(xì)胞或C3A細(xì)胞的肝芯片，采用光交聯(lián)明膠甲基丙烯?；z包裹HepG2細(xì)胞或C3A細(xì)胞制成球體，再用生物打印機(jī)將這種球狀體排布于微流控芯片上，通過(guò)檢測(cè)特異性標(biāo)志物的變化評(píng)估肝毒性。在該平臺(tái)中，球體在培養(yǎng)的30天內(nèi)仍保持其活性，且證明了其應(yīng)用于藥物毒性分析的可能性。Zuchowska等[17]基于微流控系統(tǒng)中長(zhǎng)期3D球形的培養(yǎng)，用HepG2細(xì)胞檢測(cè)抗癌藥物5-氟尿嘧啶（5-FU）的肝毒性，并發(fā)現(xiàn)隨著球體直徑的增大，HepG2細(xì)胞對(duì)2個(gè)受試濃度的5-FU耐藥性降低。為建立有利于維持肝細(xì)胞功能、更加貼近體內(nèi)的微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)細(xì)胞與非實(shí)質(zhì)細(xì)胞（星狀細(xì)胞、肝竇內(nèi)皮細(xì)胞、枯否細(xì)胞）之間的共培養(yǎng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間聯(lián)系以及信號(hào)分子的傳遞，增強(qiáng)肝細(xì)胞功能及肝的仿生性尤為重要。Kostadinova等[18]建立了一個(gè)允許肝細(xì)胞與非實(shí)質(zhì)細(xì)胞包括枯否細(xì)胞、星狀細(xì)胞、肝竇內(nèi)皮細(xì)胞以及膽管內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行三維培養(yǎng)的尼龍支架，能夠長(zhǎng)時(shí)間維持肝臟的特異性功能，并形成膽小管樣結(jié)構(gòu)，對(duì)炎性反應(yīng)刺激作出反應(yīng)。Ma等[19]開(kāi)發(fā)了一種模擬肝小葉樣結(jié)構(gòu)的微流體裝置，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞（HepG2）與非實(shí)質(zhì)細(xì)胞（HAECs）的共培養(yǎng)形成了肝索狀結(jié)構(gòu)及肝竇結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建了具有仿生形態(tài)結(jié)構(gòu)的三維肝小葉樣微組織，維持肝細(xì)胞和非實(shí)質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)能力使該系統(tǒng)成為毒性測(cè)試的替代方案。由此證明，在肝芯片中實(shí)現(xiàn)立體培養(yǎng)與共培養(yǎng)相結(jié)合一定程度上更加接近復(fù)雜的人體肝臟系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)，保持良好的肝功能，更是接近于復(fù)雜的機(jī)體對(duì)藥物毒性的反應(yīng)，是未來(lái)藥物毒性評(píng)價(jià)體外檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。Jang等[20]構(gòu)建了特定種類(lèi)（人、狗、大鼠）的雙細(xì)胞和四細(xì)胞培養(yǎng)的肝芯片，用于藥物的肝毒性測(cè)試以及確定作用機(jī)制和鑒定生物標(biāo)志物等，不僅檢測(cè)DILI的不同表型，包括肝細(xì)胞損傷、膽汁淤積、枯否細(xì)胞耗竭、脂肪變性以及星狀細(xì)胞的激活可引起肝纖維化;還模擬測(cè)定人類(lèi)與動(dòng)物在藥物肝毒性測(cè)試時(shí)的相關(guān)性。見(jiàn)圖1A。

為增強(qiáng)肝細(xì)胞體外培養(yǎng)的仿生性，模擬體內(nèi)微環(huán)境，器官芯片還與灌注培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合，模擬體內(nèi)血液或其他流體對(duì)細(xì)胞的剪切力作用。Deng等[21]構(gòu)建了由4種細(xì)胞系組成的肝竇芯片裝置，并使用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)灌流，細(xì)胞組成、比例和空間排列與體內(nèi)肝竇的生理性特征相似，并增強(qiáng)了HepG2細(xì)胞肝毒性藥物測(cè)試的敏感性，也實(shí)現(xiàn)了藥物間相互作用研究。除蠕動(dòng)泵灌流外，重力驅(qū)動(dòng)，紙基虹吸法以及CO2氣體驅(qū)動(dòng)的灌流方式也與器官芯片有效結(jié)合。Yu等[22]構(gòu)建了一種PIC芯片，脫離傳統(tǒng)芯片需要

在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)的方法，自身集成氣泡與溫度處理裝置，此外通過(guò)CO2壓力驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)基流量并實(shí)現(xiàn)PH控制，14 d維持肝細(xì)胞特異性功能處于較好的水平，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)乙酰氨基酚和雙氯芬酸進(jìn)行急性和慢性重復(fù)劑量的藥物毒性測(cè)試。見(jiàn)圖1B。Jang等[23]在3D灌注芯片中加入相位引導(dǎo)器，實(shí)現(xiàn)沒(méi)有泵驅(qū)動(dòng)的條件下進(jìn)行灌流。近年來(lái)，對(duì)灌注培養(yǎng)技術(shù)的創(chuàng)新不僅更貼近體內(nèi)微環(huán)境，也使芯片培養(yǎng)裝置簡(jiǎn)單化，更適用于藥物毒性測(cè)試。肝損傷的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，僅使用終點(diǎn)測(cè)量無(wú)法正確表征。對(duì)此，肝芯片通過(guò)與其他生物傳感器相結(jié)合，無(wú)論有無(wú)流量，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)許多細(xì)胞參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。例如熒光生物傳感器的結(jié)合和活細(xì)胞3D成像允許在整個(gè)研究中直接評(píng)估細(xì)胞形態(tài)和行為，此外，與生物反應(yīng)器耦合的電化學(xué)傳感器提供了關(guān)于細(xì)胞或特定細(xì)胞器的功能狀態(tài)的更多信息，并且可以提供對(duì)氧攝取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。Bavli D等[24]提出了一種跟蹤線粒體功能障礙動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)模擬肝損傷的肝臟芯片裝置，使用組織嵌入的磷光微探針的雙頻相位調(diào)制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線粒體呼吸狀況，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的微流體開(kāi)關(guān)允許連續(xù)電化學(xué)測(cè)量葡萄糖和乳糖，提供從氧化磷酸化到無(wú)氧糖酵解的微小轉(zhuǎn)變的實(shí)時(shí)分析，以此來(lái)表明線粒體應(yīng)激受損狀況。除此之外，一些肝芯片還開(kāi)發(fā)了高通量快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便快速評(píng)價(jià)藥物的藥效和毒性，Riahi等[25]研制了一種用于細(xì)胞分泌生物標(biāo)志物在線檢測(cè)的微流珠電化學(xué)免疫傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)肝芯片中細(xì)胞分泌的生物標(biāo)記物進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，以此為藥物肝毒性的長(zhǎng)期體外評(píng)估和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)新的平臺(tái)。

微流控芯片其小型化和流通式操作大大減少了樣品消耗，同時(shí)顯著提高了檢測(cè)的可靠性、分辨率和靈敏度。Kwon等[26]設(shè)計(jì)了一種基于藥物代謝毒性機(jī)制可用于高通量篩選的Teamchip，可以預(yù)測(cè)潛在的新陳代謝誘導(dǎo)的藥物和候選藥物的肝毒性?？捎糜诟咄亢Y選的肝芯片不僅簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集難度，也降低了研究成本。除此之外，3D生物打印技術(shù)與器官芯片的聯(lián)用也是研究的熱門(mén)方向，Massa等[27]通過(guò)集成水凝膠支架、3D生物打印和微流控技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種帶血管層的3D肝臟結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明該平臺(tái)能有效的模擬肝血管層，利于觀察和預(yù)測(cè)微循環(huán)水平的藥物肝毒性機(jī)制。除此之外，Nguyen等[28]將患者來(lái)源的肝原代細(xì)胞與3D生物打印技術(shù)相結(jié)合，可有效地模擬DILI。使用3D生物打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)肝芯片或肝臟組織的快速高通量生產(chǎn)會(huì)大大降低生產(chǎn)成本，并降低操作難度。用于藥物毒性測(cè)試的肝芯片是開(kāi)發(fā)肝毒性預(yù)測(cè)體外模型的重大進(jìn)展，當(dāng)然未來(lái)仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。由干細(xì)胞培育形成類(lèi)器官一直是近來(lái)的研究熱點(diǎn)，將類(lèi)器官培育與器官芯片相結(jié)合能更好的對(duì)類(lèi)器官及其生長(zhǎng)微環(huán)境控制，加強(qiáng)組織間及多器官間的相互作用，其研究仍在進(jìn)行中。通常3D肝臟模型局限于僅反映肝臟內(nèi)的毒性反應(yīng)，肝臟與循環(huán)中其他器官或細(xì)胞的體內(nèi)相互作用缺失，對(duì)于相互作用所導(dǎo)致的肝毒性無(wú)法進(jìn)行預(yù)測(cè)，還需適合長(zhǎng)期培養(yǎng)的多器官芯片對(duì)此類(lèi)藥物進(jìn)行毒性測(cè)試。

1.3 小結(jié) 藥物性肝損傷（DILI）是在藥物使用過(guò)程中，因藥物本身及其代謝產(chǎn)物或由于特殊體質(zhì)對(duì)藥物的超敏感性或耐受性降低所導(dǎo)致的肝臟損傷。近年來(lái)我國(guó)藥物性肝損傷的發(fā)生率普遍高于西方國(guó)家，其中保健品及中藥占26.81%[29]。仿生微流控器官芯片是基于組織工程、生物材料和微流體力學(xué)前沿技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興領(lǐng)域，它具有方便、靈敏、快速、高通量等優(yōu)點(diǎn)，在藥效和毒性評(píng)價(jià)中具有重要的應(yīng)用前景。利用肝芯片對(duì)中藥進(jìn)行慢性毒性檢測(cè)以獲取肝損傷時(shí)藥物的最大劑量及作用機(jī)制，為后續(xù)臨床用藥提供更加準(zhǔn)確的服務(wù)。隨著研究工作的不斷進(jìn)展，仿生微流控器官芯片技術(shù)將越來(lái)越趨向成熟，有可能作為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)體外替代模型，在化合物藥效和毒理評(píng)價(jià)中得到實(shí)際應(yīng)用。

2 用于藥物腎毒性評(píng)價(jià)的腎芯片

2.1 腎臟及藥物腎毒性 藥物腎毒性（Drug-induced Nephrotoxicity，DIN）是一類(lèi)較嚴(yán)重的藥物毒性，在臨床環(huán)境中，藥物腎毒性約占嚴(yán)重藥物不良反應(yīng)的25%。目前，動(dòng)物和二維細(xì)胞模型是檢測(cè)DIN的常用工具。由于動(dòng)物和人類(lèi)間的物種種屬差異，使用動(dòng)物模型得到的腎毒性預(yù)測(cè)結(jié)果參考性有限。而二維細(xì)胞模型往往許多生物標(biāo)志物的表達(dá)水平較低。近年來(lái)，腎芯片模型由于高仿生性逐漸被用于測(cè)試藥物腎毒性，腎芯片模型可以實(shí)現(xiàn)多種細(xì)胞的共培養(yǎng)、體內(nèi)微環(huán)境模擬和體外生物標(biāo)志物分析。此類(lèi)模型具有作為DIN篩選新型標(biāo)準(zhǔn)的潛力。

2.2 用于藥物毒性檢測(cè)的腎芯片 腎芯片的一種常見(jiàn)類(lèi)型是夾膜結(jié)構(gòu)，聚二甲基硅氧烷（PDMS）層和微流控通道之間放置細(xì)胞外基質(zhì)包被的多孔膜，并在該多孔膜上進(jìn)行腎細(xì)胞的培養(yǎng)[30-32]。LeClerc的小組建立了一種微流控腎芯片來(lái)研究丙烯醛和異環(huán)磷酰胺的腎毒性[31]。Van der Meer的團(tuán)隊(duì)在腎芯片平臺(tái)上集成了TEER（跨膜電阻）測(cè)量，以評(píng)估人腎上皮細(xì)胞和狗腎小管細(xì)胞等相關(guān)細(xì)胞的細(xì)胞屏障功能[33]。Jang組在人近端小管芯片上檢測(cè)了順鉑毒性和P-糖蛋白（P-GP）外排轉(zhuǎn)運(yùn)體活性。與傳統(tǒng)的細(xì)胞模型比較，在腎芯片模型上得到的結(jié)果與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有更好的相關(guān)性，這也是在器官芯片平臺(tái)上使用人原發(fā)性腎小管細(xì)胞進(jìn)行腎毒性研究的首次報(bào)道[30]。見(jiàn)圖2A。Kim等[34]利用Madin-Darby犬腎（MDC K）細(xì)胞在纖維涂層多孔膜上構(gòu)建了夾膜結(jié)構(gòu)的PDMS芯片，并利用該模型研究了慶大霉素腎毒性動(dòng)力學(xué)。檢測(cè)了KIM-1，細(xì)胞活死，ZO-1表達(dá)等指標(biāo)，結(jié)果表明，高濃度暴露于慶大霉素會(huì)破壞MDCK細(xì)胞間的緊密連接，降低細(xì)胞活力，增加膜透性，證明了該腎芯片對(duì)藥物腎毒性研究的潛力。

Sakolish組使用永生細(xì)胞系模擬了腎小球和近端小管的功能[35]。除了為HK-2細(xì)胞提供剪切壓力培養(yǎng)環(huán)境外，該平臺(tái)還包含一個(gè)培養(yǎng)有HUVECs的腎小球過(guò)濾器，以在設(shè)備內(nèi)提供更加仿生的原尿。在此基礎(chǔ)上，該小組評(píng)估了順鉑和環(huán)孢素的DIN，結(jié)果表明，在這種微流控裝置中培養(yǎng)的HK-2細(xì)胞更敏感。流體剪應(yīng)力的存在可促進(jìn)近端腎小管上皮細(xì)胞（PTECs）保留更成熟的表型，并發(fā)展形成腎小球芯片模型。Weber和他的團(tuán)隊(duì)將單通道微生理系統(tǒng)（MPS）和PTECs結(jié)合，在體外重建了人近端小管的生理功能，并利用該平臺(tái)評(píng)價(jià)了多黏菌素的腎毒性。當(dāng)PTECs暴露于多黏菌素B時(shí)，包括KIM-1和一組與損傷相關(guān)的miRNAs在內(nèi)的損傷信號(hào)表達(dá)明顯增加。該平臺(tái)可以對(duì)新化合物進(jìn)行安全檢測(cè)，并定義分子的不同毒理學(xué)途徑反應(yīng)[36]。

原代大鼠腎細(xì)胞也常被用于目前的腎臟芯片模型。Wang組利用鼠原代腎細(xì)胞構(gòu)建了一個(gè)腎小球芯片，在器官水平上重建了部分腎功能，以模擬高糖環(huán)境下腎小球的刺激。該裝置由平行通道組成，其中原代腎小球微組織包括腎小球內(nèi)皮細(xì)胞，三維基底膜和足細(xì)胞。這些組織與液體流動(dòng)結(jié)合，模擬腎小球?yàn)V過(guò)屏障（GFB）的功能[37]。Li等[38]在微流控芯片上培養(yǎng)原代大鼠腎小球內(nèi)皮細(xì)胞（GECs）模擬腎屏障的選擇通透性，然后通過(guò)檢測(cè)ZO-1蛋白的表達(dá)來(lái)研究鎘誘導(dǎo)的腎毒性。Qu等[39]構(gòu)建了一個(gè)模擬腎單位的微流控平臺(tái)，該裝置包含腎小球、鮑曼式囊、近端腎小管和毛細(xì)管。見(jiàn)圖2B。將順鉑和阿霉素加入含有牛血清白蛋白、E-cadherin和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）的“腎血流”中，并通過(guò)熒光成像記錄多種原代腎細(xì)胞的損傷。結(jié)果表明，該裝置內(nèi)置的復(fù)雜微環(huán)境使腎臟細(xì)胞對(duì)藥物腎毒性更加敏感，為藥物誘導(dǎo)的腎毒性檢測(cè)提供了新的見(jiàn)解。

2.3 小結(jié) 腎芯片模型在腎毒性試驗(yàn)中顯示出一系列優(yōu)勢(shì)。例如，流體剪切應(yīng)力的存在使細(xì)胞對(duì)藥物更加敏感，原代細(xì)胞的使用使體外腎毒性試驗(yàn)與體內(nèi)結(jié)果在生理上更加相關(guān)。盡管如此，在腎芯片平臺(tái)上的高通量篩選尚未實(shí)現(xiàn)。此外，藥物代謝產(chǎn)物引起的腎毒性很難通過(guò)腎芯片模型直接研究。腎芯片與其他器官芯片，特別是與肝芯片的聯(lián)用是深入研究新藥候選化合物腎毒性的理想方法。同時(shí)，這種檢測(cè)方法還迫切需要系統(tǒng)地結(jié)合體外，體內(nèi)和臨床檢查，確定合適的生物標(biāo)志物，可以有效和安全地檢測(cè)和治療，以得到診斷和監(jiān)測(cè)腎臟損傷和恢復(fù)的可靠結(jié)果。

3 用于藥物心臟毒性評(píng)價(jià)的心臟芯片

3.1 心臟及藥物心臟毒性 “心臟毒性”是指藥物對(duì)心臟組織造成的直接損害和藥物對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的影響造成的間接損害，如引起心臟血栓形成[40]?！靶呐K毒性”最初是在1946年提出的，目的是描述局部麻醉劑、水銀利尿劑和洋地黃對(duì)心臟的毒性作用。在20世紀(jì)70年代后期，它被用來(lái)描述由蒽環(huán)類(lèi)，阿霉素和5-氟尿嘧啶引起的心臟并發(fā)癥[41]。

心臟毒性是藥物臨床試驗(yàn)失敗和退出市場(chǎng)的主要原因之一，因此藥物心臟毒性的臨床前篩選是至關(guān)重要的。目前，二維細(xì)胞培養(yǎng)模型和動(dòng)物模型占據(jù)藥物心臟毒性評(píng)估的主導(dǎo)地位;然而，二維細(xì)胞模型不能重現(xiàn)體內(nèi)心臟組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，動(dòng)物模型在離子通道、生物途徑和藥代動(dòng)力學(xué)方面與人類(lèi)差異很大，它們還不能完全再現(xiàn)人體生理功能。在許多情況下，傳統(tǒng)模型不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物對(duì)人體是否存在心臟毒性。其他心臟毒性篩查技術(shù)，如如膜片鉗，往往涉及勞動(dòng)密集型和侵入性的細(xì)胞操作[42]。綜上所述，有必要建立一個(gè)仿生性良好、更準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單的體外模型用于心臟毒性的測(cè)試。

3.2 用于藥物毒性檢測(cè)的心臟芯片 電刺激可促進(jìn)心肌細(xì)胞的體外成熟。采用電刺激的心臟芯片技術(shù)已逐漸成熟。楊建民等[43]首次報(bào)道了實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞各向異性的微流控裝置。見(jiàn)圖3A。Qian等[44]構(gòu)建了一個(gè)由用于電位場(chǎng)指示的微電極陣列（MEA）和用于轉(zhuǎn)換的交錯(cuò)電極陣列組成一個(gè)心臟芯片模型。該平臺(tái)利用人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSC-CMs）衍生的心肌細(xì)胞（CMs）作為細(xì)胞材料，分別測(cè)量了心肌細(xì)胞在生理?xiàng)l件和藥物刺激下的電生理和收縮力。微電極（主要是MEA）的電刺激顯著增強(qiáng)了心臟細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和排列。利用這一心臟芯片模型測(cè)試了一種用于治療低血壓和心力衰的臨床藥物去甲腎上腺素的作用。Maoz等[45]建立了一種集成MEA和電極的微流控裝置，通過(guò)TEER驗(yàn)證了組織屏障功能，有助于了解心臟藥效學(xué)。該裝置由MEA、PDMS層、聚乙烯（PET）薄膜、頂部芯片通道和TEER電極組成。在PET膜上覆蓋一層HUVEC，在MEA表面培養(yǎng)HIPSC-CM。該裝置可用于監(jiān)測(cè)炎性反應(yīng)和腎上腺素藥物對(duì)心功能的影響。Caluori等[46]在心臟芯片上集成了一種機(jī)電細(xì)胞生物傳感器，可以同時(shí)檢測(cè)心臟興奮-收縮耦合。他們使用該系統(tǒng)測(cè)試藥物刺激下細(xì)胞的反應(yīng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)鈣通道藥物異丙腎上腺素和維拉帕米產(chǎn)生劑量依賴性反應(yīng)，證明該裝置在藥物篩選和藥物心臟毒性測(cè)試中具有應(yīng)用潛力。Ville等[47]構(gòu)建了基于人多能干細(xì)胞源性心肌細(xì)胞的微電極陣列芯片和多級(jí)陣列。該方法能夠構(gòu)建類(lèi)似于天然心肌的分層心臟組織，并測(cè)量電生理數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量hiPSC-CMs在存在心臟毒性前藥（Terfenadine）及其非心臟毒性代謝物（Fexofenadine）的情況下的藥物反應(yīng)，證明hiPSC-CMs具有用于藥物心臟毒性篩查的潛力。

除了電刺激外，目前還有許多心臟芯片試圖在體外模擬心肌的環(huán)狀單軸應(yīng)變。Marsano等[48]開(kāi)發(fā)了一種具有心包積水的心臟芯片，通過(guò)傳導(dǎo)機(jī)械刺激促進(jìn)心肌細(xì)胞成熟，改善電刺激起搏性能，并對(duì)心臟組織起搏進(jìn)行分析。Parker小組采用肌肉薄膜技術(shù)（MTF）構(gòu)建了心臟芯片，進(jìn)一步提高了MTF的吞吐量。該裝置反映了β腎上腺素受體激動(dòng)劑異丙腎上腺素對(duì)新生大鼠心室CMS收縮能力的影響[49]。在此基礎(chǔ)上，Parker小組組裝了柔性薄膜傳感器，并開(kāi)發(fā)了一種高通量微流控裝置，可以同時(shí)讀取24個(gè)心肌組織的收縮應(yīng)力和搏動(dòng)速率。

最近，科學(xué)家提出了一種Biowire平臺(tái)，其中心肌細(xì)胞嵌入在水凝膠中，心臟組織懸浮在兩根聚合物絲上的PDMS微井中，模擬心臟中肌肉纖維的生長(zhǎng)。當(dāng)心肌細(xì)胞收縮時(shí)，對(duì)纖維絲產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)量的偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為心臟的搏動(dòng)信號(hào)[50]。在最新的研究，趙等人第一次使用可生物降解的、彈性可紫外聚合的POMaC聚合物材料，為細(xì)胞生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)二維網(wǎng)格，稱(chēng)為Biowire II平臺(tái)。該平臺(tái)模擬了不同心房和心室的異極心臟組織，可同時(shí)定量力和鈣離子瞬變[51]。

雖然絕大多數(shù)的心臟芯片設(shè)備都用于模仿心肌，但近年來(lái)已經(jīng)報(bào)道了結(jié)合心臟和其他器官組織的心血管模型和系統(tǒng)的研究。Ellis等[52]開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)空間控制CMs和內(nèi)皮細(xì)胞的共培養(yǎng)的微流控裝置，以模擬人心肌及其周?chē)奈⒀堋amei等[53]報(bào)道了一種基于軟光刻法的微流控裝置，使用集成的氣動(dòng)閥門(mén)和泵來(lái)產(chǎn)生精確的流體流動(dòng)來(lái)模擬癌癥藥物的不良反應(yīng)。該平臺(tái)能夠模擬血液循環(huán)系統(tǒng)并連接各種組織細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)在不同腔室中共培養(yǎng)人健康心臟細(xì)胞（HCMs）和肝癌細(xì)胞（HepG2）。見(jiàn)圖3B。該裝置評(píng)估了阿霉素對(duì)心臟細(xì)胞的不良反應(yīng)，這是由HepG2細(xì)胞通過(guò)循環(huán)向心臟細(xì)胞輸送有毒代謝物引起的。

3.3 小結(jié) 藥物引起的心臟毒性是藥物開(kāi)發(fā)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前的體外方法在預(yù)測(cè)、判斷和治療心臟毒性方面缺乏準(zhǔn)確性。微流控技術(shù)的發(fā)展使心臟芯片成為一種新型的體外工具，但仍有幾個(gè)核心問(wèn)題需要解決，如由于芯片厚度過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)成像[54]。目前的研究重點(diǎn)是通過(guò)集成高效液相色譜法、質(zhì)譜法和電泳[55]等片上分析技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。除此之外，心臟芯片的另一個(gè)挑戰(zhàn)是將不同類(lèi)型的細(xì)胞整合到單個(gè)組織中，以更好地模擬體內(nèi)環(huán)境。然而，由于體內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和組織穩(wěn)定性所需的長(zhǎng)期體外培養(yǎng)，這可能是一個(gè)高成本且具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程。心臟芯片可以集成傳感設(shè)備、多細(xì)胞共培養(yǎng)和三維組織形成，是一項(xiàng)發(fā)展迅速，潛力巨大的新技術(shù)，有望成為評(píng)價(jià)藥物心臟毒性的新型臨床前藥物篩選工具。

4 用于藥物毒性評(píng)價(jià)的生物標(biāo)志物

器官芯片用于藥物毒性評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)之一是可以在不同時(shí)期、對(duì)不同生物標(biāo)志物進(jìn)行定量測(cè)定，因此生物標(biāo)志物的選擇是器官芯片研究的重要內(nèi)容。生物標(biāo)志物既要兼顧檢測(cè)限，又要考慮其生理功能。本文特意總結(jié)了各種體外評(píng)價(jià)方法中曾用到的肝毒性、腎毒性、心臟毒性生物標(biāo)志物。見(jiàn)表1。它們中只有少部分已用于器官芯片的毒性評(píng)價(jià)中。我們正在進(jìn)行將它們組合后的器官芯片毒性評(píng)價(jià)工作，期望能為毒性評(píng)價(jià)帶來(lái)更多有用的信息。

5 總結(jié)與展望

在臨床前藥物開(kāi)發(fā)中，利用人體細(xì)胞預(yù)測(cè)候選化合物的毒性以提高臨床試驗(yàn)的成功率是幾乎所有主要制藥公司都在探索的課題。器官芯片可以在體外為細(xì)胞，組織或器官提供良好的生存環(huán)境，增強(qiáng)其功能和對(duì)藥物刺激的敏感性，這在藥物毒性中非常重要。美國(guó)食品和藥品管理局（FDA）和其他國(guó)家的藥物監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注器官芯片技術(shù)，該技術(shù)有可能在食品/藥品的臨床前測(cè)試中取代動(dòng)物模型。目前器官芯片在材料、細(xì)胞來(lái)源、通量和仿生性等方面仍面臨著一些挑戰(zhàn)，特別是與臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換，是器官芯片在毒性評(píng)價(jià)領(lǐng)域的“卡脖子”問(wèn)題。但隨著多器官聯(lián)用和干細(xì)胞誘導(dǎo)等技術(shù)的發(fā)展，上述問(wèn)題有望被攻克，從而使得器官芯片技術(shù)形成一種新的藥物毒性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

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（2020-11-19收稿 責(zé)任編輯：王明）