芯片上的患者—多器官串聯芯片Multi-Organ-on-Chip應用於精準醫療

芯片上的患者—多器官串聯芯片Multi-Organ-on-Chip應用於(yu) 精準醫療

翻譯整理：棋牌95至尊

An Individual Patient's "Body" on Chips – How Organismoid Theory Can Translate Into Your Personal Precision Therapy Approach

Frontiers in Medicine, 2021, Vol. 8

Marx U, Accastelli E, David R, Erfurth H, Koenig L, Lauster R, Ramme AP, Reinke P, Volk HD, Winter A, Dehne EM

類有機體(ti) 的概念在12年前就被提出來，當時被稱為(wei) “芯片上的人體(ti) human-on-a-chip"或“芯片上的身體(ti) body-on-a-chip"，從(cong) “多器官串聯芯片Multi-Organ-on-Chip"發展而來，將多個(ge) 類器官串聯起來培養(yang) 。微生理係統MPS成為(wei) 體(ti) 外在生物學上可接受的最小尺度模擬人體(ti) 生理和形態的技術平台，因此，微生理係統能夠精度為(wei) 每個(ge) 患者篩選出個(ge) 性化治療方案。與(yu) 此同時，第一個(ge) 人類類器官——幹細胞衍生的複雜三維器官模型，可以在體(ti) 外擴增和自我組織——已經證明，隻要給人類幹細胞提供相應誘導分化及生長環境，就可以在體(ti) 外自我組裝成人體(ti) 類器官。這些早期的類器官可以精確地反映出人體(ti) 中對應器官的一係列生理狀態和病理特征。我們(men) 現在把過去的“芯片上的人體(ti) human-on-a-chip"的概念發展成“類有機體(ti) Organismoid"的理論。首先，我們(men) 提出了“類有機體(ti) "的概念，即通過體(ti) 外的自我組裝的過程，模仿個(ge) 體(ti) 從(cong) 卵細胞到性成熟的發生過程，培養(yang) 出的——微小的、無思維、無情感的體(ti) 外的人體(ti) 等效物。隨後，我們(men) 提出了類有機體(ti) 的分化和培養(yang) 方法，使其能在體(ti) 外長時間維持正常功能，以及通過自然或人工誘發疾病幹擾類有機體(ti) 來模擬個(ge) 體(ti) 疾病過程。最後，我們(men) 討論了如何使用這一係列健康和疾病模型的類有機體(ti) 來代替病人，測試藥物療效或藥物劑量，即個(ge) 體(ti) 化精準醫療。

圖1 |每個(ge) 人個(ge) 體(ti) 命運的類有機體(ti) 。(A）個(ge) 體(ti) 發育（黃色）從(cong) 卵細胞受精開始，隨後出生，並在18 ~ 20年後性成熟，發育出功能完整的大腦和成年骨骼。然後，成人的身體(ti) 會(hui) 經曆一個(ge) 持續數十年的功能和結構相對穩定的階段。隨著身體(ti) 年齡的增長，這個(ge) 成年期會(hui) 被不斷延長的生病和康複期打斷（粉色）。情感和意識——人類的靈魂和思想——從(cong) 童年開始連續發展，並貫穿一生。（B）根據類有機體(ti) 理論，個(ge) 性化的類有機體(ti) 可以通過持續幾個(ge) 月的體(ti) 外培養(yang) （黃色）來建立。由此產(chan) 生的成體(ti) 類有機體(ti) 可以模擬健康人類成年幾周（S-短期）、幾個(ge) 月（M-中期）或幾年（L-長期）的階段。然後，這些可以用來模擬急性、亞(ya) 慢性和慢性疾病時期（粉色）和個(ge) 體(ti) 在相應的時間框架內(nei) 的治療後恢複。大量相同的類有機體(ti) 還可以提供足夠數量的生物學重複和對照，確保了數據的準確性，真實性，可重複性。此外，這些健康的類有機體(ti) 在預防醫學的評估方麵很有用，比如為(wei) 各自的個(ge) 體(ti) 接種疫苗。

類有機體(ti) 理論

人的個(ge) 體(ti) 壽命的特征是人體(ti) 的生理和形態的發育階段（發育期）和功能維持階段（成年期），以及個(ge) 體(ti) 與(yu) 社會(hui) 在靈魂和思想上的雙向交流，如圖1A所示。

社會(hui) 起源本質上與(yu) 人的大腦的大小和結構有關(guan) ——大腦由大約860億(yi) 個(ge) 神經元以及數量大致相等的非神經元細胞（2）組成，這些細胞高度連接，聚集在一起處理、整合和協調它從(cong) 感覺器官接收到的信息（3）—以及它與(yu) 身體(ti) 其他部分的相互聯係。成熟的人體(ti) 生理遵循一個(ge) 簡單的進化，即選擇性結構計劃，也就是組成遵循功能。早在2007年，我們(men) 就注意到這樣一個(ge) 事實:“……幾乎所有的器官和係統都是由多個(ge) 相同的、功能獨立的結構單元組建成的，從(cong) 幾個(ge) 細胞層到幾毫米組織。由於(yu) 其能性、高度的自立性和這些結構單元在各自器官中的多樣性，它們(men) 對藥物和生物製劑的反應模式幾乎代表了整個(ge) 器官。大自然創造了這些微小但複雜的結構單元，以實現器官和係統最主要的功能。在一個(ge) 特定的器官內(nei) ，這些結構的重複是天然的風險管理工具，以防止器官局部損傷(shang) 時功能喪(sang) 失。然而，從(cong) 進化的角度來看，這一概念使得器官的大小和形狀可以很容易地調整到特定物種的需要（例如，小鼠和人類的肝髒使用幾乎相同的結構單元）（4）。這一理論，結合微生理係統（MPS）的發展，為(wei) 在生物芯片上以生物學上可接受的最小尺度模擬人體(ti) 的器官提供了理論基礎（5-7）。2012年，我們(men) 引入了“芯片上的人體(ti) "（man-on-a-chip）的概念，從(cong) “多器官串聯芯片Multi-Organ-on-Chip"發展而來，即將多個(ge) 類器官（比體(ti) 內(nei) 縮小10萬(wan) 倍）串聯起來培養(yang) 。我們(men) 舉(ju) 例說明了人體(ti) 主要器官的功能單位，並簡要描述了減小尺寸的原理（5）。這是發展一種理論的起點，即建立一種微小的、無思維、無情感的體(ti) 外的人體(ti) 等效物，我們(men) 現在稱之為(wei) organismoids類有機體(ti) 。不同的術語，如芯片上的人體(ti) ，芯片上的身體(ti) ，或通用的生理模板，在過去已經被用於(yu) 代表有機體(ti) 。在MPS領域中已經使用過這個(ge) 概念，通過培養(yang) 10個(ge) 人的主要器官的等效物（類器官）來實現完整的體(ti) 內(nei) 平衡：循環，內(nei) 分泌，胃腸道，免疫，皮膚，肌肉骨骼，神經，生殖，呼吸和泌尿係統。

基於(yu) 芯片，串聯培養(yang) 這些器官模型的係統構成了最小的有類有機體(ti) ，MPS領域預測至少還需要10年才能在芯片上建立這樣的功能性類有機體(ti) （8，9）。可以用來模擬單個(ge) 患者的疾病和健康狀態，如圖1B所示，從(cong) 而能夠為(wei) 每個(ge) 患者精確選擇正確的藥物或療法和用藥方案。除了用於(yu) 精準醫療之外，從(cong) 選定的患者中提取的生物樣本還可以進一步用於(yu) 在芯片上進行臨(lin) 床試驗。2018年，毒理學研究前沿論壇（Investigative Toxicology Leaders Forum）討論了在細胞模型中模擬人類生理學的潛力，該論壇聚集了14家歐洲製藥公司的代表（圖2）（10）。

類有機體(ti) 的理論基於(yu) 兩(liang) 個(ge) 按時間順序相互關(guan) 聯的概念，每個(ge) 概念有三個(ge) 實施原則。類有機體(ti) 的體(ti) 外發育依賴於(yu) （i）（誘導多能）幹細胞為(wei) 基礎的體(ti) 外早期類器官形成；（ii）以生理學為(wei) 基礎，通過血液灌流和神經分布，應用於(yu) 芯片上的MPS，將此類早期器官的比例/數量整合為(wei) 早期自我維持的類有機體(ti) ；以及(iii)通過類器官在芯片上的串聯培養(yang) 加速刺激個(ge) 體(ti) 發育，完成體(ti) 外個(ge) 體(ti) 發育成為(wei) 健康成熟的類有機體(ti) （模擬成年期）的轉變。

因此，利用芯片上的類有機體(ti) 模擬病人的疾病和治愈過程的概念遵循以下原則：（一）通過自然疾病過程或通過來自病人的病原體(ti) 或病變組織的傳(chuan) 播在生物體(ti) 中誘發疾病；（ii）通過對同一個(ge) 患者來源的健康和病變類有機體(ti) 進行相同數量的試驗來模擬對大量患者進行的人體(ti) 臨(lin) 床試驗；以及（iii）為(wei) 每個(ge) 患者精確選擇正確的藥物或療法和用藥方案。

在這篇文章中，我們(men) 帶你通過類有機體(ti) 理論的概念和原則，用實際結果闡述它對我們(men) 的醫療保健係統的性創新的潛力，並提供一個(ge) 可行性方法的展望。

幹細胞和患者來源的類器官教會(hui) 了我們(men) 什麽(me) ?

一個(ge) 多世紀以來，科學家們(men) 一直對導致體(ti) 內(nei) 組織特異性形態發生和器官發生的生化和生物物理線索著迷不已。由於(yu) 缺乏更多與(yu) 生理相關(guan) 的測試係統，他們(men) 的研究僅(jin) 限於(yu) 經典的細胞培養(yang) 和動物模型。這些模型極大地增強了我們(men) 對細胞功能和疾病機製的基本認識。然而，如何將這些結果轉化為(wei) 人體(ti) 的數據已經成為(wei) 一個(ge) 嚴(yan) 重的難題。最近幹細胞研究和三維（3D）培養(yang) 係統的進步已經產(chan) 生了一種有希望的複雜和人源的模型，稱為(wei) 類器官。這些類器官由多能幹細胞（PSCs）（誘導PSCs [iPSCs]或胚胎幹細胞)、成體(ti) 幹細胞（ASCs）或成體(ti) 腫瘤組織通過自組織產(chan) 生。它們(men) 在藥物發現和個(ge) 性化醫學中的應用已經被驗證（11），並提供了生成個(ge) 性化數據的第一個(ge) 概念證明（12）。

類器官組織保持其持續增殖和分化為(wei) 各自器官的不同細胞類型的能力，同時通過仔細調整微環境線索，如模擬體(ti) 內(nei) 幹細胞生態位，保存幹細胞庫。與(yu) 二維單層培養(yang) 相比，3D類器官培養(yang) 更緊密地模擬了基因和蛋白質表達以及代謝能力所顯示的器官的生理行為(wei) 。大多數類器官都需要一個(ge) 基於(yu) 層粘連蛋白的細胞外基質環境。 而膠原蛋白，相當於(yu) 體(ti) 內(nei) 細胞周圍的物理支架。在大多數情況下，這種基質是來源於(yu) 動物的，沒有明確的指標，因此，可能會(hui) 出現批次到批次的變化（13）。此外，類器官（ASC-或PSC -衍生）的分化過程取決(jue) 於(yu) 許多不同的因素，如生長因子、基質、基質剛度、細胞-細胞接觸、細胞密度、氧水平、營養(yang) 供應或體(ti) 外自組織和細胞命運決(jue) 定的隨機性。因此，在標準的離體(ti) 培養(yang) 條件下，類器官的成熟和功能存在高度的異質性。

PSCs衍生的類器官在體(ti) 外模擬胚胎發育。因此，這些類器官在發育研究中具有重要價(jia) 值。利用不同的生長因子將PSCs引入相應的胚層——中胚層、內(nei) 胚層或外胚層。隨後，進一步的生長因子混合物被用來誘導細胞形成分化的類器官。在這裏，基質蛋白在類器官形成中起著至關(guan) 重要的作用，經常被用來模擬基底層。

圖2 | 在當前的細胞模型圖中定位人的類有機體(ti) ——芯片上的人體(ti) 等效物（類器官）（10）。

分化的類器官可能由不同類型的細胞組成——上皮細胞和間充質細胞，甚至可能通過內(nei) 在分化（14）或內(nei) 皮細胞或中胚層祖細胞的外源性添加獲得初始內(nei) 皮網絡（15,16）。培養(yang) PSC來源類器官的時間因組織類型而異，通常需要2周至3個(ge) 月（17），但可以持續半年或更長時間，如皮膚類器官（18）或腦類器官（19）。

患者特異性的PSC來源類器官是通過將體(ti) 細胞重編程為(wei) 誘導多能幹細胞而產(chan) 生的。然而，這可能需要幾個(ge) 月的時間。器官類分化的效率在組織類型甚至誘導方案之間差異很大。此外，iPSC衍生的類器官傳(chuan) 代的可能性有限。

由於(yu) 缺乏可用的組織樣本，從(cong) 一些組織（如大腦）的ASCs中很難產(chan) 生類器官。因此，PSC衍生的類器官對於(yu) 腦類器官的生成是很有價(jia) 值的。這些類器官已經在3D球形懸浮培養(yang) 中培養(yang) 了長達2年以上，且沒有傳(chuan) 代（19,20）。

從(cong) ASCs衍生的類器官是從(cong) 具有再生能力的成人組織中產(chan) 生的。例如，早期人類牙齒或毛囊發育模型在體(ti) 外應用間充質凝結原理，分別從(cong) 供體(ti) 來源的祖細胞中產(chan) 生基板或真皮乳頭類器官（21,22）。然而，隻有組織的上皮部分才能被生成類器官。基質細胞、內(nei) 皮細胞和神經在這些模型中缺失。  ASC衍生的類器官的主要好處在於(yu) ，它們(men) 可能來自健康組織或腫瘤組織。類器官形成ASCs通常隻需要幾天時間，類器官穩定，可以長期培養(yang) 和擴張。不同的生長因子組合被用於(yu) 類器官的擴大和分化，因此，它們(men) 可以無限擴大。可以從(cong) 不同的器官生成來自患者的健康和腫瘤類器官的生物庫，在高通量篩查中測試藥物，以便對患者的治療做出進一步的決(jue) 策（17）。

在過去的十年中，在學術實驗室中已經使用這些3D培養(yang) 方法生成了大量種類繁多的人類類器官。它們(men) 的應用和潛力已經得到了廣泛的綜述（13,17,23 - 25）。表1強調了在體(ti) 外靜態培養(yang) 中產(chan) 生類器官的人體(ti) 器官。然而，傳(chuan) 統的靜態培養(yang) 係統無法最終將類器官分化為(wei) 成熟的、功能完整的器官模型。類器官在形成過程中出現了局部形態梯度，但缺乏穩定的血液灌流推動的生長因子、氧氣和其他功能性生化或生物物理因素的濃度梯度。因此，靜態培養(yang) 條件限製了培養(yang) 時間，因為(wei) 不斷生長的類器官的營養(yang) 供應和廢物清除有限性，限製了它們(men) 的成熟度。在下文中，我們(men) 將討論如何通過引入定義(yi) 的時空因素來提高類器官的成熟度。

表1 |靜態體(ti) 外培養(yang) 產(chan) 生的人類器官概述

微流控培養(yang) 係統——早期類器官形成類有機體(ti) 的關(guan) 鍵

類器官已被證明是模擬不同器官特異性特的有力工具。然而，如上所述，標記物表達和功能往往在早期就停止了。我們(men) 從(cong) 1912年就知道，體(ti) 外培養(yang) 的環境決(jue) 定了它們(men) 的生存能力和功能（100）。驅動類器官自組裝和分化的各向微環境因子在傳(chuan) 統培養(yang) 條件下相當均勻地覆蓋類器官或廣泛的表麵積，阻礙了由功能驅動的空間定向和成熟。但這些源自相互作用的組織並導致細胞重排的時空線索，是發育成熟器官功能的關(guan) 鍵。但這些源自相互作用的組織並導致細胞重排的時空因子，是成熟器官功能發育的關(guan) 鍵。特別是內(nei) 皮組織相互作用及其對器官發生過程中局部信號傳(chuan) 導的影響已被廣泛研究（101-103）。 例如，發育中的中樞神經係統的血管化是大腦發育中至關(guan) 重要的一步，確保快速分裂的神經前體(ti) 細胞的氧氣和營養(yang) 供應。外周神經係統的神經結構已被證明以明顯的與(yu) 血管同步的方式發展。此外，內(nei) 皮細胞對於(yu) 維持產(chan) 生小腦細胞的中樞神經係統胚層的重要性也得到了證明（104）。

此外，在靜態培養(yang) 中控製譜係規格的重組蛋白和小分子主要促進器官內(nei) 某一特定分段細胞(實質細胞)的發育。其他重要的譜係，如血管、神經元或免疫譜係，大多不存在，因此旁分泌信號可能在進一步成熟過程中變得相關(guan) 。

允許早產(chan) 兒(er) 類器官與(yu) 其他器官係統在生理相關(guan) 尺度上精細協調的係統性相互作用，促進功能對齊和更高的空間分辨率的刺激。大自然的器官組建原件——上述形式描述的最小功能單位，在其多樣性中，是一個(ge) 完整的人體(ti) 器官。這些重複的亞(ya) 單位的數量取決(jue) 於(yu) 相互作用的器官發出的需求信號。因此，在組織的動態相互作用中，器官的大小、介質流速和液體(ti) 在器官中的停留時間以及液體(ti) 與(yu) 細胞的總體(ti) 比例會(hui) 自我調整。

到目前為(wei) 止，已經設計了幾種使組織模型能夠進行係統性相互作用的方法——患者來源的異種移植(PDX)模型和MPS。在前一種方法中，免疫缺陷或人源化小鼠作為(wei) 宿主，使主要的腫瘤模型得以移植。移植物與(yu) 局部和全身環境的相互作用，也通過模型的血管化，最終允許細胞的營養(yang) 和模型的繁殖。然而，宿主機體(ti) 和患者組織之間的物種差異阻礙了生物學的匹配。在使用這些方法時已經報到了過多的缺點，但也有支持模型的體(ti) 循環的數據。

在過去的二十年中，通過將器官模型引入MPS來改善器官模型培養(yang) 條件已經做出了大量的努力。利用原代和細胞係為(wei) 基礎的模型已經建立了MPS中的數十種人體(ti) 類器官，並已進行了非常詳細的綜述（105 - 111）。有充分的證據表明，器官功能的成熟可以通過密切模擬有關(guan) 生化、物理或電刺激的器官型微環境來實現（106）。

一旦意識到這類係統的自體(ti) 性質是必要的，MPS領域就開始建立芯片上的幹細胞衍生模型。表2總結了該領域的最新成就。此外，為(wei) 創造缺失器官的類有機體(ti) 被建立起來隻是時間問題。

大量種類繁多的其他人體(ti) 組織和器官模型已經發表。然而，迄今為(wei) 止，生物芯片內(nei) 穩態的培養(yang) 實驗未能整合全身成分，如通過血管化微血管的全血供應、個(ge) 性化（自體(ti) ）免疫係統和組織神經支配。在這裏，我們(men) 通過將每個(ge) 相關(guan) 器官係統的早期類器官整合到一個(ge) 自我調節的血管化和神經化的體(ti) 循環中，擴展了創建基於(yu) MPS的類有機體(ti) 的理論。

我們(men) 已經在2012年提出假設，“缺乏器官特定細胞類型之間的動態相互作用，以及它們(men) 的血管和基質組織床，以及缺乏用於(yu) 局部再生的成體(ti) 幹細胞和祖細胞，是當前“芯片上的人體(ti) "係統的關(guan) 鍵能力缺失的原因"（5)。整個(ge) 芯片上微流控通道的血管化早在2013年就報道了（132），接下來是關(guan) 於(yu) 生成血管化的芯片上類器官的工作（133-136）。截至今天，產(chan) 生血管化類器官芯片的高通量平台已經上市（137）。這兩(liang) 種技術的結合可以產(chan) 生包含多個(ge) 器官的芯片上的封閉血管化通路，從(cong) 而實現下一個(ge) 層次的生理複雜性——全血灌注或包含所有相關(guan) 組成的模型。

生命體(ti) 理論假設所有關(guan) 鍵的全血成分——紅細胞、血小板、白細胞和血漿成分——的生成和更新是可行的，並將導致一個(ge) 自我維持的係統性生命體(ti) 。因此，一個(ge) 穩定的功能性芯片上的造血係統是必需的。已經描述了幾種使用MPS來模擬基於(yu) 人類骨髓的造血幹細胞生態位的方法（8,138,139）。調整Sieber等人（138）的模型，使其包含對細胞分化和幹細胞維持重要的細胞因子，使來自紅係、髓係和巨核細胞譜係的細胞能夠連續、健壯地生成和維持，同時使幹細胞和祖細胞群體(ti) 維持至少24天（圖3）。簡而言之，骨髓芯片是按照Sieber等人的描述（138）建立的，但通過修改培養(yang) 基以包括額外的細胞因子，如Chou等人（139)所述。細胞從(cong) 循環介質中取樣，使用細胞自旋離心機直接沉積在載玻片上，然後使用賴特染色和成像。本研究中所用細胞的供體(ti) 信息詳見表3。

學術界MPS發展概況提供了許多其他指標，可以使用MPS重現血液灌注的特定因子。Westein等人（140）已經證明了模擬血小板誘導的血液凝固的能力，許多文獻報道了MPS中的免疫細胞循環以及它們(men) 在器官模型芯片上的聚集（141-143）。

一旦將基於(yu) 生物體(ti) 的生理全血供應給所有芯片上的類器官，使用自體(ti) 來源的幹細胞衍生類器官的資產(chan) 就變得與(yu) 防止免疫係統對外來器官模型的排斥有關(guan) 。此前發表的多器官係統大多由來自不同供體(ti) 的組織組成，這使得作為(wei) 任何人體(ti) 有機體(ti) 的主要防禦機製的個(ge) 體(ti) 免疫係統的無排斥整合成為(wei) 不可能。早在2013年，一個(ge) iPSC供體(ti) 的幾種細胞的自體(ti) 共培養(yang) 的第一步就被報道了（144）。iPSC來源的類器官的早熟性提出了這樣一個(ge) 問題：如何最終分化出這些類器官，使其與(yu) 各自的人類的功能相匹配。在這裏，類有機體(ti) 理論提出了終端芯片上分化的原則，以整合的有機體(ti) 交流通訊和人為(wei) 加速的關(guan) 鍵器官和係統“訓練計劃"為(wei) 指導，如肝髒的外生物物質接觸、免疫係統的多抗原接種或性器官加速成熟的類固醇激素人工接觸。2019年，基於(yu) 生理學的4器官芯片證明了器官-器官相互作用會(hui) 觸發進一步的芯片上成熟（131），在iPSC衍生的早產(chan) 兒(er) 肝髒模型中，白蛋白和MRP2基因的表達在14天內(nei) 顯著增加，這是由與(yu) iPSC衍生的腸、腎髒和神經類器官的無分化因子共培養(yang) 驅動的（圖4）。

表2 | 以mps為(wei) 基礎建立的模型為(wei) 例，再現了人體(ti) 關(guan) 鍵器官的功能

這樣的數據支持了生物樣體(ti) 理論的概念，即一旦肝髒功能匹配係統生物樣體(ti) 的需求，就可以通過腸和通過腎髒類器官去除代謝廢物將足以維持生物體(ti) 的功能內(nei) 穩態。

人體(ti) 內(nei) 大部分血漿蛋白由肝髒產(chan) 生，其中白蛋白濃度約為(wei) 40 g/L，血漿是目前為(wei) 止最大的成分。此外，肝髒是毒物和外來物通過食物到達體(ti) 內(nei) 的最終的守門員。最後，它在整個(ge) 循環過程中保持蛋白質、碳水化合物和氨基酸代謝的穩態。大量MPS文獻提供了證據，證明由原代或iPSC來源的肝細胞組成的芯片上的人類肝髒類器官能夠持續分泌白蛋白和其他蛋白質進入循環（119）。另一個(ge) 重要的蛋白質成分是白細胞產(chan) 生的免疫球蛋白G組分，在人的血漿蛋白組分中達到7-16 G /L的生理水平。很少有MPS的目標是在建模免疫組織時產(chan) 生免疫球蛋白，但一種人工淋巴結在這裏已經取得了初步的進展（145）。其他一些器官則向血漿中添加了關(guan) 鍵的調節蛋白。胰島分泌的胰島素與(yu) 肝髒相互作用，通過調節葡萄糖的消耗、儲(chu) 存和釋放來控製身體(ti) 以葡萄糖為(wei) 基礎的能量平衡，就是這樣一個(ge) 關(guan) 鍵的調節因子。2017年，一種穩定的胰島-肝髒共培養(yang) MPS被建立（146），證明MPS有能力從(cong) 生理上管理胰島素的分泌和器官相互作用能力。關(guan) 於(yu) 血漿特性，將芯片上產(chan) 生的血漿蛋白濃度提高到60-80 g/L的生理水平仍然是一個(ge) 挑戰，這是一個(ge) 非常重要的因素，可以利用白蛋白的生理運輸特性，將數百種其他功能蛋白運送到它們(men) 的作用位點，並為(wei) 血細胞運輸提供正確的粘度和流動動力學。

通過內(nei) 皮細胞將器官模型與(yu) 血液流動分離是實現這一目標的基本前提，並將在不久的將來為(wei) 該領域提供進展。 通過在線傳(chuan) 感器密切監測芯片上的代謝活動，通過技術手段對血漿成分進行初步調整，從(cong) 長遠來看，這可能會(hui) 導致器官模型的提前成熟。在這裏，使用自動化係統來保持對芯片培養(yang) 物的密切觀察將成為(wei) 一個(ge) 組成部分（147）。

圖3 | MPS中骨髓細胞維持和分化情況。將人CD34+細胞在人間充質幹細胞種子支架上再循環HUMIMIC Chip2培養(yang) （A） 17天或（B) 24天，顯示分化為(wei) 紅係細胞（第17天），然後是中性粒細胞（第24天）係細胞。細胞是（i）嗜堿性常母細胞，（ii）多色常母細胞，（iii）原色常母細胞，（iv）網織紅細胞，（v）帶細胞和（vi）中性粒細胞。比例尺−75µm。

傳(chuan) 感器通常可以在生物體(ti) 形態理論的實施中發揮關(guan) 鍵作用，將個(ge) 人的數據生成擴展到目前任何可用的範圍之外。一方麵，傳(chuan) 感器可以是係統固有的。舉(ju) 例來說，類似於(yu) 脈搏血氧測定，生物體(ti) 血液中的氧飽和度可以通過不同血紅蛋白衍生物的不同光學光譜來測量。此外，脈搏血氧測定法還能提供有關(guan) 血液搏動特性的定性信息（148）。氧飽和度的測量可以使用小型化傳(chuan) 感器進行，也可以使用高光譜成像技術進行空間分辨。氧飽和度的測量提供了關(guan) 於(yu) 氧輸送能力、氧分布的重要信息，並結合微粒成像測速分析，提供了納入一個(ge) 生物體(ti) 的每個(ge) 類器官的絕對耗氧率（149）。

圖4 |白蛋白和MDR2基因表達從(cong) 第0天到第14天在由ipsc來源的早期兒(er) 腸、肝髒、腎髒和神經類器官組成的4器官芯片中穩步增加，這些模型整合在基於(yu) 生理學的共同介質循環中。僅(jin) 通過腸吸收無分化因子的培養(yang) 基。采用單因素方差分析+ Tukey’s多重比較檢驗進行統計分析(*p < 0.05， **p < 0.01， ***p < 0.001)。數據顯示為(wei) Mean + SD。

另一方麵，傳(chuan) 感器可以直接嵌入到MPS中。多傳(chuan) 感器的集成是允許持續在線監測器官特異性反應和動態組織反應的基礎，用於(yu) 人體(ti) 健康監測的技術（150）。多傳(chuan) 感器集成平台對於(yu) 基於(yu) MPS的生物體(ti) 體(ti) 的發展尤其重要，在這種生物體(ti) 中，對各種器官功能的監測需要結合不同的傳(chuan) 感原理。跨上皮電阻測量是非侵入性技術之一，已成功集成到MPS中，以評估內(nei) 皮或上皮模型的屏障完整性和連接動力學（151）。基於(yu) 電阻抗譜的方法通過利用擴展的頻域數據克服了傳(chuan) 統的跨上皮電阻測量技術，因此，可以評估不同成熟階段的組織屏障功能（152）。當與(yu) 多電極陣列相結合時，基於(yu) 阻抗的技術可以進一步增強，從(cong) 而在生物體(ti) 的相關(guan) 微環境中提供局部感知和電刺激。應用包括通過對收縮活動的直接電刺激再現心肌細胞或運動神經元的神經支配（153），以及從(cong) 神經元產(chan) 生替代腦電圖的可能性活動，這代表了帕金森或阿爾茨海默病建模的附加價(jia) 值。

器官模型的神經支配在其發育、成熟、調控、再生和病理過程中起著至關(guan) 重要的作用。我們(men) 從(cong) 手術中了解到，消除自主神經元連接可能會(hui) 導致移植物功能低下和不良的影響（154）。同樣，神經支配在大多數器官和組織中幹細胞和/或其生態位調節中的重要性也得到了充分的證明。在器官發生和再生的初始階段，自主神經會(hui) 影響組織的生長，同樣，也會(hui) 影響衰老或疾病的發展和進展。到目前為(wei) 止，將神經支配引入體(ti) 外模型大多被忽視，這是由於(yu) 實現正確的引導和將神經元整合到非神經組織模型的複雜性。在過去的十年中，在靜態和MPS類器官培養(yang) 中，已經采取了第一步來模擬神經模型之間的突觸連接和神經和非神經組織模型之間的神經效應器連接形成。這一領域的一個(ge) 主要挑戰是軸突生長從(cong) 神經元到效應組織的定向引導。因此，MPS的發展使幹細胞來源的有髓運動神經元能夠組裝和培養(yang) （155,156），是實現MPS功能神經支配的重要基礎。理解組織來源的神經營養(yang) 因子和神經引導因子如何驅動軸突生長並在發育過程中決(jue) 定其方向將是有幫助的。

幹細胞來源的區域化腦類器官已被證明具有相互形成突觸神經的內(nei) 在能力。多個(ge) 研究小組已經描述了區域化幹細胞來源的皮質類器官和大腦皮層類器官的融合，以模擬GABAergic中間神經元從(cong) 大腦皮層類器官遷移到穀氨酸興(xing) 奮性、富含神經元的皮質類器官，在那裏它們(men) 在功能上整合到局部興(xing) 奮性回路（157-159）。這種內(nei) 在能力也可以被用於(yu) 組裝其他區域化的腦類器官，正如幹細胞來源的皮質和丘腦類器官所顯示的那樣（159）。

Roger D. Kamm的團隊已經證明，幹細胞來源的運動神經元類器官可以在一個(ge) 有圖案的芯片平台上用3D骨骼肌束構建功能性神經肌肉連接（nmj），這增強了組織結構的引導神經支配。在這個(ge) 設置中，運動神經元被轉導到光敏通道視紫紅質-2，這使得光激活的肌肉收縮顯示了功能性神經肌肉接頭的形成（160）。另一項關(guan) 於(yu) 幹細胞來源的類腦器官的研究表明，它們(men) 可以發育出明顯的軸突束，這些軸突束在功能上被神經支配到齧齒動物的脊髓外植體(ti) 中，它們(men) 在那裏引起協調的肌肉收縮，很容易區別於(yu) 局部自發收縮，並可以通過電刺激誘發（31）。神經支配對心髒組織的成熟和功能的積極影響在（161）中得到了證明，交感神經元的神經支配增加了原代心肌細胞的自發搏動率。

已經製定了一些方案，忽略軸突生長對相應的非神經組織類器官的複雜影響；允許在一個(ge) 類器官中同時分化神經組織和非神經組織。這已經在含有功能性神經肌肉接頭和有髓鞘軸突的神經肌肉類器官中實現了，在許旺末端細胞和肌肉部分收縮活動的存在下，收縮活動在乙酰膽堿受體(ti) 堵塞時停止（162）。前腦和視神經囊泡的結合也實現了這種器官間球體(ti) ，其中雙側(ce) 光敏視神經囊泡發育在前腦類器官的表麵，並形成電活性的原始感覺回路（62）。

體(ti) 外組織神經支配領域的下一個(ge) 重大進展將是建立一個(ge) 封閉的神經元回路模型，其中感覺器(如視杯類器官)和效應器(如肌纖維)通過皮質模型相互連接，並通過Schwann細胞或少突膠質細胞實現運動神經元軸突的髓鞘化（156,163）。另一種有前景的方法是結合芯片上的血管化和神經支配。在體(ti) 內(nei) ，周圍神經沿著血管生長。我們(men) 假設，一旦建立了封閉的血管係統，這種神經支配途徑也將成為(wei) 相關(guan) 的芯片。(116）展示了血管化和神經連接的優(you) 勢，他們(men) 證明了血管-神經相互作用導致更像活體(ti) 的基因表達特征，並增加含有幹細胞來源的大腦微血管內(nei) 皮細胞和運動神經元的MPS中的鈣瞬變。除了（運動）神經元對生理組織神經支配的積極作用，外周神經係統的建模對於(yu) 神經退行性疾病(如肌性側(ce) 索硬化症)領域也有興(xing) 趣。體(ti) 外（MPS）模型有可能成為(wei) 研究化合物對神經肌肉接頭藥理作用的重要基石。這個(ge) 方向的第一步是最近在Mimetas OrganoPlate上發表的（164），該平台培養(yang) 了40個(ge) 帶有iPSC衍生的運動神經元的微芯片。後者表現出明顯的軸突生長，可以與(yu) 肌肉組織耦合形成神經肌肉接頭。

關(guan) 於(yu) 機體(ti) 內(nei) 穩態的另一個(ge) 關(guan) 鍵方麵是自主神經支配與(yu) 免疫係統的相互作用。以消化道為(wei) 例，腸道免疫係統影響局部腸神經係統、交感神經和副交感神經係統的外源性神經元，並最終影響大腦功能，如情緒、認知和心理健康。相反，大腦可以通過腸道膽堿能抗炎通路，通過迷走神經調節腸道的免疫功能（165）。初級淋巴器官(如骨髓)和次級淋巴器官(如脾髒)的神經支配已得到充分研究，神經係統在這些小生境中影響免疫穩態和炎症的能力已被證明（166）。

在芯片上模擬係統有機體(ti) 通路的另一個(ge) 重要方麵包括整合相關(guan) 供體(ti) 特異性微生物群，以模擬患者與(yu) 各自代謝物的總體(ti) 相互作用（167-169）。

看來，神經支配、血管化、淋巴管、微生物群和膽汁產(chan) 物的腸-肝髒循環模擬是滿足多器官MPS中類器官的簡單物理結合和生物體(ti) 中真正的組織相互作用和穩態之間的鴻溝先決(jue) 條件。

後者需要至少10個(ge) 人類係統（如引言中強調的那樣）的主要類器官的串聯組合，以及它們(men) 通過血管係統、神經支配和淋巴管的生物互聯。關(guan) 於(yu) 建立包含至少10個(ge) 技術上可相互連接的器官培養(yang) 區隔的MPS的兩(liang) 項早期嚐試已經發表。這些主要的例子包括康奈爾大學舒勒實驗室（Shuler Lab）的13個(ge) 器官培養(yang) 係統（170個(ge) ）和麻省理工學院格裏菲斯實驗室的10個(ge) 器官培養(yang) PhysioMimix係統（171）。這兩(liang) 種係統都已成功地在培養(yang) 室中使用生物材料運行了7天或更長時間。然而，兩(liang) 者都缺乏生物血管互連、淋巴管和器官神經支配。

生物體(ti) 可能會(hui) 傳(chuan) 遞什麽(me) 給我們(men) 的醫療係統

根據有機體(ti) 模型理論，有機體(ti) 模型是活體(ti) 人體(ti) 在體(ti) 外的生物複製品，隻是盡可能縮小了規模。它們(men) 是由係統創造的整合：生理學上把人體(ti) 主要器官的功能單位整合成一個(ge) 有機的、自我維持的模板，反映人體(ti) 的係統組織幹細胞衍生器官等價(jia) 物在芯片上的快速分化，源於(yu) 它們(men) 之間的相互串擾和生理上的相互依賴。規模的縮小，是由於(yu) 產(chan) 生個(ge) 體(ti) 的生物體(ti) 樣體(ti) 的大量重複的目標。大量這種相同的、微小的、無腦的、無情緒的生理體(ti) 外有機體(ti) 的成熟可以在很長一段時間內(nei) 保持自我維持的功能性健康內(nei) 穩態。它們(men) 容易受到幹擾，導致自然或人為(wei) 地誘發疾病。患病的生物體(ti) 被假設以精確地模擬各自病人疾病的病理生理學。反過來，這可能使預測性的患者特異性有機體(ti) 樣研究的表現，以確定的個(ge) 性化治療患者有關(guan) 。類似於(yu) 對患者隊列的臨(lin) 床研究，然後可以產(chan) 生統計驗證的預測，其優(you) 勢是可以在生理和病理生理條件下比較基因相同的患者有機體(ti) 樣體(ti) 重複。由此可以推導出兩(liang) 種主要的使用場景。一種是與(yu) 現實世界中個(ge) 體(ti) 患者個(ge) 人治療的前沿改進有關(guan) ;另一種則有可能在臨(lin) 床試驗層麵改變藥物開發範式，節省大量時間和資本支出。

關(guan) 於(yu) 第一種方案，生物體(ti) 模型可以用於(yu) 預測地選擇、安排和給藥，根據患者的疾病進展準確地選擇個(ge) 性化治療或藥物。通過早期發現不成功的治療方案，這可以顯著降低對每個(ge) 患者的潛在風險。圖5更詳細地總結了將有機體(ti) 應用於(yu) 個(ge) 性化精準醫療的優(you) 勢。該圖說明了有機體(ti) 體(ti) 方法的概念和原理，以選擇您的個(ge) 性化疾病應用的精準醫療。作為(wei) 一個(ge) 假設的例子，癌症被選擇為(wei) 疾病。

你的生命周期可能最終包括危及生命的疾病時期，例如，癌症生長（上：藍色邊框的箭頭）。從(cong) 你的健康細胞中建立一個(ge) 多能幹細胞庫。隨後，在幾個(ge) 月內(nei) 就會(hui) 產(chan) 生大量相同的健康生物體(ti) （黃色三角形）。目前有各種治療癌症的選擇，因此，相關(guan) 的試驗組被創建，包括安慰劑治療、其他治療組和健康恢複對照組（在黑邊箭頭中）。在這個(ge) 假設的例子中，在幾周內(nei) ，CAR-T細胞療法與(yu) 檢查點抑製劑相結合，會(hui) 被證明是你最快的治愈方法。因此，這種療法立即得到了成功的應用。

根據生物體(ti) 形態理論，一個(ge) 人的幹細胞庫可以在健康時創建，也可以在疾病發生時從(cong) 健康的器官中創建。預防性幹細胞庫(例如，從(cong) 臍帶血中提取)已經在使用中，並將成為(wei) 未來的選擇，因為(wei) 這需要時間。接近人類的理論提供了精確的試驗結果，這是動物試驗在患者來源的異種移植模型或人類患者來源的類器官無法實現的。異種移植模型在係統發育上是遙遠的，因此不能提供足夠的腫瘤生長。此外，它們(men) 沒有疫背景來對抗癌症。病人來源的類器官也沒有嵌入到病人的免疫係統中，缺乏與(yu) 有機體(ti) 的係統性互動。

對於(yu) 第二種情況，數十年來，候選藥物進入臨(lin) 床試驗成為(wei) 獲批藥物的平均成功率一直低於(yu) 20%；這種將任何原型轉化為(wei) 上市產(chan) 品的低效率，其他任何行業(ye) 都承受不起。使用實驗動物的候選藥物的臨(lin) 床前安全性和療效評估程序的預測性差是造成這種低效率的主要原因。其後果是平均13.5年的漫長臨(lin) 床試驗，以及一種新藥獲得批準所需的累計成本高達25億(yi) 美元（106）。與(yu) 此同時，在過去30年裏，一場基於(yu) 生物學的治療策略革命出現了——利用人體(ti) 自身的工具來對抗疾病。近年來，藥物的生物複雜性不斷擴大，從(cong) 人工合成的小分子藥物，到人類單克隆抗體(ti) 蛋白，最後是針對患者的自體(ti) 細胞療法，極大地增加了患者治愈的機會(hui) 。然而，這一趨勢同樣顯著地降低了通過應用臨(lin) 床前的實驗室動物試驗來預測這類療法的安全性和有效性的機會(hui) ，原因是這類先進治療藥物的人類起源越來越多（172）。此外，在過去的幾年裏，沿著這種不斷上升的生物梯度的藥物定價(jia) 已經成為(wei) 阻礙所有患者獲得這種療法的社會(hui) 公平的主要障礙。在這一趨勢開始的時候，一種生物藥物的平均日劑量的價(jia) 格是小分子藥物的22倍，占幾十美元（173）。然而，類蛋白質生物製劑中單克隆抗體(ti) 在2017年達到了患者治療過程的年平均價(jia) 格約為(wei) 9.6萬(wan) 美元（174），相當於(yu) 每天約263美元。如今，先進細胞療法中的創新——高效的自體(ti) CAR-T細胞療法——在德國的價(jia) 格，例如，考慮到“在"結果（175）付款，患者治療的價(jia) 格高達32萬(wan) 歐元。這種療法是一天輸注一次。藥物的療效與(yu) 患者獲得藥物的經濟能力之間日益增長的失衡，已經成為(wei) 全球範圍內(nei) 我們(men) 的醫療保健係統的一個(ge) 嚴(yan) 重的社會(hui) 和經濟衝(chong) 突。

有機體(ti) 有可能通過改變藥物開發的模式來打破這種成本螺旋上升。2016年，MPS相關(guan) 報告已經預計，一旦基於(yu) MPS的類似於(yu) 生物體(ti) 的臨(lin) 床試驗研究能夠準確預測任何新藥物或療法的療效、安全性、劑量和時間安排，在用於(yu) 人類試驗和替代動物試驗以及1、2期臨(lin) 床試驗之前，累積藥物開發成本將降低5倍，藥物開發時間將減少一半。

2018年，毒理學研究領導人論壇（10）草擬了一份高級路線圖，以確定“臨(lin) 床試驗"預測精度（圖6），在與(yu) 臨(lin) 床試驗相對應的芯片研究中運行精細的個(ge) 性化的“人體(ti) "等效物（有機體(ti) ）。為(wei) 了實現這一點，套健康的和代表患者疾病狀態和健康內(nei) 穩態的有機體(ti) 樣體(ti) 將允許一個(ge) 人進行基於(yu) 臨(lin) 床前係列藥物和先進的有機體(ti) 樣體(ti) 測試。

圖5 |說明有機體(ti) 理論如何應用於(yu) 個(ge) 性化醫療的假設例子。

圖6 |在芯片上潛在的“臨(lin) 床試驗"背景下的“人體(ti) "等效物（10）。 

圖7 |一個(ge) 假設的例子，說明有機體(ti) 理論如何可以用來模擬臨(lin) 床試驗。

健康的內(nei) 穩態將允許一個(ge) 人在大型試驗特定患者中模擬臨(lin) 床試驗的環境中進行基於(yu) 有機體(ti) 的藥物和先進療法的臨(lin) 床前係列試驗。與(yu) 患者隊列試驗相比，以有機體(ti) 為(wei) 基礎的試驗具有許多關(guan) 鍵的優(you) 勢。圖7詳細說明了這些優(you) 勢，並舉(ju) 例說明了利用基於(yu) 有機體(ti) 的試驗模擬一種假想的新型鈉-葡萄糖轉運體(ti) 2（SGLT2）抑製劑治療2型糖尿病的臨(lin) 床試驗。

根據與(yu) 臨(lin) 床試驗招募相同的標準，從(cong) 全球幹細胞庫中收集代表相關(guan) 糖尿病患者隊列的4名捐贈者的幹細胞樣本。從(cong) 這4個(ge) 供體(ti) 小瓶中每個(ge) 小瓶生產(chan) 出相關(guan) 數量的健康生物樣體(ti) 。藍色、棕色、黃色和綠色表示每個(ge) 個(ge) 體(ti) 的供體(ti) 背景。隨後，遵循生物樣體(ti) 理論的原則，例如通過高糖飲食產(chan) 生糖尿病生物樣體(ti) 。為(wei) 了評估一種新的SGLT2抑製劑治療，進行了3個(ge) 月的試驗，包括6個(ge) 組，每個(ge) 組12個(ge) 有機體(ti) 樣體(ti) （每個(ge) 組和供體(ti) 3個(ge) 生物重複），並每天口服相應的藥物。對照組包括健康恢複組（1）和患病未經治療的安慰劑組（2），分別提供治愈（綠色基線）和疾病狀態無變化（紅色基線）的讀數。此外，三種新的SGLT2抑製劑的劑量降低了10萬(wan) 倍。由於(yu) 與(yu) 人體(ti) 相比，生物體(ti) 的大小相對較小，因此患者的劑量比預期的要低。臂（3）、臂（4）和臂（5）的讀數說明了新的單藥療法在分別對應於(yu) 每天和患者的25 mg（黃色方塊）、15 mg（黃色三角形）和5 mg（黃色圓圈）的劑量下，將疾病狀態從(cong) 基線改變為(wei) 治愈的潛力。假設使用二甲雙胍（藍色圓圈）治療的標準單藥治療組提供了當前標準的護理參考數據。在這個(ge) 假設的例子中，臂（2）產(chan) 生了最有利的治療結果。

優(you) 勢是，在藥物開發曆史，基於(yu) 芯片的有機體(ti) 試驗將包括患者身體(ti) 和同一個(ge) 體(ti) 健康身體(ti) 狀態的統計相關(guan) 的人體(ti) 自體(ti) 生物重複。由於(yu) 缺乏對單個(ge) 患者的任何生物重複，以及對他們(men) 在健康內(nei) 穩態下的個(ge) 體(ti) 生物狀態的了解，臨(lin) 床試驗傳(chuan) 統上需要大量的患者隊列。因此，試驗被分為(wei) 1、2和3期，不幸的是，隻能近似一個(ge) 患者個(ge) 體(ti) 的病理生物學和他們(men) 的治愈恢複狀態。這兩(liang) 個(ge) 方麵使得傳(chuan) 統的臨(lin) 床試驗過程成為(wei) 一種漫長的、成本高得令人難以置信的、低效的藥物和先進療法的開發方式。在含有健康和患病生物體(ti) 的芯片上進行“臨(lin) 床試驗"，消除了這兩(liang) 個(ge) 障礙。一方麵，它們(men) 允許近親(qin) 繁殖的實驗室動物試驗的一致性由於(yu) 基因而得到匹配，每個(ge) 試驗“參與(yu) 者"在個(ge) 體(ti) 有機體(ti) 水平上的身份，但其背景是人類。另一方麵，各種不同個(ge) 體(ti) 的生物樣體(ti) 的使用反映了臨(lin) 床試驗中患者隊列的異質性，但具有每個(ge) 個(ge) 體(ti) 患者的生物樣體(ti) 在統計上相關(guan) 的生物重複的優(you) 勢。

有機體(ti) 體(ti) 方法的另一個(ge) 明顯優(you) 勢是，在進行此類試驗時，其獨立性不受患者招募和醫院使用的影響。鑒於(yu) 大型PSC庫的存在反映了基因傾(qing) 向、性別和與(yu) 試驗相關(guan) 的其他類別，基於(yu) 有機體(ti) 模型的試驗可以在世界任何時間、任何地點進行。關(guan) 於(yu) 上麵的假設例子，根據糖尿病易感性選擇供體(ti) ，比較遺傳(chuan) 祖先和平等的性別分布可能是有趣的幹細胞瓶選擇策略。

第三個(ge) 優(you) 點是試驗規模的靈活性。理論上可以產(chan) 生的患病生物體(ti) （通常被稱為(wei) 芯片上的“病人"）的數量是無限的。這使得藥代動力學方麵的整合，在同一個(ge) 基於(yu) 有機體(ti) 的試驗中發現新的化學或生物實體(ti) 的有效劑量和綜合安全性和有效性評估成為(wei) 可能。目前在實驗室動物、健康誌願者和患者的單獨臨(lin) 床前和臨(lin) 床試驗中產(chan) 生的數據，如毒性特征、未觀察到的副作用水平、吸收和排泄率、代謝物形成、發現有效劑量、持續時間和新藥物的時間安排，可以從(cong) 一項基於(yu) 生物體(ti) 的試驗中得到。例如，我們(men) 治療2型糖尿病的假設案例研究可以很容易地擴展到更大的劑量範圍，並將每天兩(liang) 次劑量的單一口服（這在生物樣體(ti) 中指的是根尖腸的任何給藥）進行比較。這將包括對療效進行劑量依賴的評估，同時觀察尿路或生殖道感染的發生和嚴(yan) 重程度，以及的SGLT2抑製劑的副作用。在各自的患者隊列中，候選藥物使用的治療窗口的定義(yi) 來源於(yu) 這樣一項一體(ti) 化試驗，該試驗仍處於(yu) 臨(lin) 床前候選藥物開發階段。

關(guan) 於(yu) 這兩(liang) 種使用場景，我們(men) 設想有機體(ti) 將對從(cong) 個(ge) 人數據庫收集的醫療現實世界大數據做出重大貢獻。這是因為(wei) 它能夠在每個(ge) 患者第一次疾病發作（例如，腫瘤生長、病毒複製）的確定位置生成關(guan) 於(yu) 微環境破壞的可複製數據。有機體(ti) 和矽芯片的結合將進一步提高對大量患者群體(ti) 進行精確藥物治療的預測能力，並進一步降低成本。

在人們(men) 的心目中，複雜的體(ti) 外細胞培養(yang) 工作通常與(yu) 高昂的成本聯係在一起。有人可能會(hui) 猜測，在試驗中產(chan) 生和處理數千個(ge) 生物體(ti) 需要天文數字的預算，因為(wei) 目前可用的MPS在一次性芯片和操作上都很昂貴。在這裏，有機體(ti) 的性質反映了一種自我可持續的人體(ti) 和規模經濟效應開始發揮作用。在現實世界中，一個(ge) 處於(yu) 休息狀態的人體(ti) ，每天的蛋白質、碳水化合物和脂肪供應約2000千卡就可以維持。在世界上一些較貧窮的地區，人均幾美元就可以實現這一目標。因此，每天喂養(yang) 10萬(wan) 隻生物體(ti) 的成本也可以達到相同的水平。維持這些生物體(ti) 的可消耗芯片的價(jia) 格也預計將下降到1美元的範圍，這在計算機芯片和人類基因組測序成本方麵已經有過先例。

生物機體(ti) 能夠為(wei) 每一位患者確定最合適的藥物，並大幅節約成本和改變藥物開發，這種能力的社會(hui) 經濟維度被認為(wei) 是巨大的。這同樣適用於(yu) 倫(lun) 理層麵。基於(yu) MPS的類有機體(ti) 有可能取代大多數實驗室動物試驗和在人類誌願者身上進行的第一和第二階段臨(lin) 床試驗。它們(men) 將減少三期臨(lin) 床試驗患者的多種數量。所有這些都將對全球範圍內(nei) 的患者利益和動物福利產(chan) 生根本性的積極影響。

患者類有機體(ti) 體(ti) 和芯片上病人特異性T細胞療法——一個(ge) 挑戰這一理論的方案

先進的細胞療法，如自體(ti) 嵌合抗原受體(ti) （CAR） T細胞療法KymriahTM 和YescartaTM，最近已經證明了它們(men) 治愈以前的耐藥腫瘤患者的潛力（176,177）。除了這兩(liang) 種在2017年被批準用於(yu) 治療血液腫瘤的CART細胞產(chan) 品外，其他幾種CAR-T細胞產(chan) 品最近也被批準。許多新的細胞治療方法正在醞釀中，使用CAR或轉基因T細胞受體(ti) 對抗各種各樣的腫瘤、感染和自侵略性免疫細胞，或者使用調節性T細胞在顯性的不良免疫反應中恢複免疫平衡（178）。到2020年底，全球注冊(ce) 了超過1000項使用免疫細胞產(chan) 品的臨(lin) 床試驗（179）。

在這些醫療需求未得到滿足的領域，這種療效以標準安全測試程序（180）為(wei) 代價(jia) ，增加了監管機構的接受度，該程序需要在治療批準後的患者隨訪研究中進行回顧性研究。這符合這樣一個(ge) 事實，即由於(yu) 患者與(yu) 患者的係統發育距離、各自的基因型差異和免疫不匹配，患者對個(ge) 性化細胞治療的反應無法在臨(lin) 床前的實驗室動物模型中模擬。同樣，在傳(chuan) 統的患者來源的類器官培養(yang) 中，患者的反應也無法預測，因為(wei) 它們(men) 沒有融入到一個(ge) 係統的有機體(ti) 安排中。除其他外，模擬t細胞輸注到目標部位的靜脈輸送及其與(yu) 其他主要器官部位的相互作用，都缺失了模擬T細胞療法及其療效（患者衍生類器官的精確度）的關(guan) 鍵因素。 如前所述，這裏的有機體(ti) 理論提供了一種克服任何其他障礙的替代解決(jue) 方案。

什麽(me) 是有機體(ti) 不能也不應該做的

根據有機體(ti) 理論，有機體(ti) 不能也不應該模仿人類個(ge) 體(ti) 社會(hui) 起源的主要部分——同理心或意識（分別是靈魂或思想）。因此，它不能模擬病人的精神疾病。300g的人類心肌或髖部骨折的功能障礙及其愈合依賴於(yu) 生物物理特性，由於(yu) 規模和所涉及的物理不匹配，其中一些無法在生物類體(ti) 上表征。

倫(lun) 理考量對人類社會(hui) 至關(guan) 重要，也是人性的基礎。有機體(ti) 理論，由於(yu) 其性質，引入了一些必須考慮倫(lun) 理的觀點。將人類胚胎發育到幾厘米大小是最關(guan) 鍵的問題之一。在人工環境下（如體(ti) 外培養(yang) ），人類卵子的受精及其隨後的胚胎發育在世界上許多地方都是被禁止的。生物體(ti) 理論的作者想要強調的是，他們(men) 的倫(lun) 理範式超越了這一點。人們(men) 不應該使用有機體(ti) 形態理論的概念和原則來創造人類或雜交胚胎，並進一步發展和區分人類或雜交組織。應該使用其他方法來規避個(ge) 體(ti) 發生的這一部分。個(ge) 人同意捐獻組織來創造生物體(ti) 可能是一個(ge) 很好的工具，以防止在早期階段的濫用。

結論

這裏提出的生物體(ti) 樣體(ti) 理論聲稱，有能力在體(ti) 外人工重現個(ge) 體(ti) 身體(ti) 的個(ge) 體(ti) 發生，從(cong) 捐贈者的幹細胞開始，產(chan) 生一定數量的相同的健康成熟的小型化身體(ti) 等量物，因此被稱為(wei) 生物體(ti) 樣體(ti) 。該理論進一步聲稱，這種供體(ti) 特定的相同生物體(ti) 樣體(ti) 反映了該個(ge) 體(ti) 健康成年期的某個(ge) 階段，可以用來模擬該供體(ti) 在其生命周期的某一特定時間內(nei) 相關(guan) 的疾病和康複階段。以個(ge) 性化的患病生物體(ti) 樣方法對個(ge) 體(ti) 的疾病進行建模，將提供一個(ge) 尚未滿足的患者病理生物學的現實水平，因此，提供一個(ge) 的工具，以精確選擇正確的藥物、治療計劃和劑量來治愈（患病）個(ge) 體(ti) 。

大自然的遺傳(chuan) 和微環境原則編碼了人體(ti) 器官最小功能單元的自組織和維護，並將它們(men) 整合到一個(ge) 交流通訊和高效互動的血液係統中，灌注和神經器官是在芯片上創造生物體(ti) 的藍圖。我們(men) 設想它們(men) 將成為(wei) 下一個(ge) 層次的人類生物學模擬，提供與(yu) 人類相對應的最佳可能的近似。在體(ti) 外實驗中，類有機體(ti) organismoids將有機地遵循人類的多個(ge) 類器官串聯，近年來，這已被證明能夠在小型化的規模上模擬單個(ge) 組織和器官的不同功能。利用已從(cong) 類器官學習(xi) 到的東(dong) 西，類器官將通過一個(ge) 小型化的基於(yu) 生理的血管和毛細血管網絡在芯片上生成的全血的係統神經支配和供應，以每個(ge) 器官的功能單元。通過內(nei) 皮細胞層將每個(ge) 類器官從(cong) 共同的血液中局部分離，將使不同人體(ti) 器官功能單元的精確拷貝在芯片上實現單獨的器官特異性、遺傳(chuan) 編碼和微環境驅動的自我組裝。反過來，這將使成熟的類器官在生理上產(chan) 生交流，從(cong) 而導致有機芯片上的內(nei) 穩態。一旦建立，生物體(ti) 將隻需要每天用消化的食物等量進食，就可以模擬芯片上的長期、所謂的自我維持的身體(ti) 功能。

我們(men) 已經說明，類器官體(ti) 外培養(yang) 技術和過去10年生產(chan) 的單器官芯片為(wei) 體(ti) 外類器官的培養(yang) 提供了大量數據。此外，人類iPSC衍生的多器官串聯芯片提供了芯片上加速人工器官個(ge) 體(ti) 發生的第一個(ge) 成果。最後，越來越多的關(guan) 於(yu) 人類疾病建模和人體(ti) 組織芯片治療測試的科學文獻指出，當MPS上功能性地建立多器官串聯芯片以及人體(ti) 芯片時，這種微生理平台就有能力精確模擬疾病的病理生物學和藥物或治療的作用模式。進一步發展器官芯片的主要挑戰是神經支配和類器官毛細血管化的實現，這也需要細胞，特別是免疫細胞遷移到組織中。

類器官串聯芯片培養(yang) 係統--- HUMIMIC

多器官串聯培養(yang) ，在沒病人的情況下測試病人

類器官串聯芯片培養(yang) 係統包括控製單元和芯片，控製單元能夠模擬人體(ti) 內(nei) 生理環境，包括溫度、壓力、真空度、微流道循環頻率、時間等參數，芯片有不同的微流道設計，針對不同的器官可以單獨設置提供相應的培養(yang) 條件，提供精準的培養(yang) 和分化環境。類器官串聯芯片培養(yang) 係統可提供不同類器官的串聯共培養(yang) 方案，避免單一類器官無法模擬人體(ti) 複雜生理學條件下器官相互通訊交流的不足。通過類器官模擬人類器官組織的生理發育過程，應用於(yu) 疾病模型、腫瘤發生、以及藥物安全性、有效性、毒性、ADME等方麵的評估，旨在減少和取代實驗室動物測試，簡化人體(ti) 臨(lin) 床試驗。

為(wei) 獲取更高相關(guan) 與(yu) 準確的測試結果，我們(men) 開發了人體(ti) 器官模型的自動芯片測試：

配備具有指示相關(guan) 性的器官模型的芯片，以能夠在接觸生物體(ti) 之前檢測其安全性和有效性；

最終為(wei) 芯片配備患者自身相關(guan) 病變器官的亞(ya) 基，以評估整個(ge) 個(ge) 性化治療的效果；

人體(ti) 生理反應往往涉及更多介質循環和不同組織間相互作用，多器官芯片才能全麵反映出機體(ti) 器官功能的複雜性、完整性以及功能變化，一個(ge) 相互作用的係統才能更好的模擬整個(ge) 係統中器官和組織的不同功能。德國TissUse公司可提供不同類器官的串聯培養(yang) 解決(jue) 方案，避免單一類器官無法模擬人體(ti) 複雜生理學條件下器官相互通訊交流的不足。把多種不同器官和組織培養(yang) 在芯片上，然後通過微通道連接起來，集成一個(ge) 相互作用的係統，從(cong) 而模擬人體(ti) 中的不同功能器官的交流通訊和互相作用。

TissUse專(zhuan) 有的商用MOC技術支持的器官培養(yang) 物的數量範圍從(cong) 單個(ge) 器官培養(yang) 到支持複雜器官相互作用研究的器官數量，包括單器官、二器官、三器官和四器官培養(yang) 的商業(ye) 化的平台。成功的案例包括：肝髒、腸、皮膚、血管係統、神經組織、心髒組織、軟骨、胰腺、腎髒、毛囊、肺組織、脂肪組織、腫瘤模型和骨髓以及各自的多器官串聯組合方案。

德國TissUse公司專(zhuan) 注於(yu) 類器官培養(yang) 係統研究22年，推出的HUMIMIC類器官串聯芯片培養(yang) 係統，得到FDA的推薦，可提供不同類器官的串聯培養(yang) 解決(jue) 方案，避免單一類器官培養(yang) 無法模擬人體(ti) 器官相互通訊關(guan) 聯的缺陷，同時也提供相關(guan) 的技術方案和後續方法試劑支持，屬於(yu) 國際上少有的“Multi-Organ-Chip" 和“Human-on-a-chip"的方案提供者。相關(guan) 方案已被廣泛應用於(yu) 藥物開發、化妝品、食品與(yu) 營養(yang) 和消費產(chan) 品等多個(ge) 領域.

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