類器官芯片：AI加持下的“人體實驗室”能否終結動物實驗時代

類器官芯片：AI加持下的“人體實驗室”，能否終結動物實驗時代？人體器官的形成、發育、病理等機制一直是縈繞在科學家腦中的難題，如何建立高度逼真的人體器官模型是解決問題的關鍵。目前主要依賴于傳統的細胞和動物模型。近年來，類器官和器官芯片作為新興的細胞培養技術，得到迅速發展，大有強搶小白鼠“飯碗”的趨勢。最近，兩者還來了個“親上加親”，誕生了類器官芯片。如果再結合最近火熱的AI技術，會不會在體外構建高度仿生的“人體實驗室”，結束生物研究、疾病建模、藥物篩選等領域的動物實驗時代呢？AI與類器官及芯片的融合：藥物研發的顛覆性變革傳統藥物研發面臨成本超高、周期長、成功率低三重困境。據統計2000年1月1日至2015年10月31日期間，21143種候選藥物在臨床實驗中的失敗率達到了86.2%。這些不盡人意的結果部分歸因于動物模型、普通二維細胞與患者之間存在的諸多差異。傳統藥物研發的不足（源自文獻：doi:10.59717/j.xinn-life.2024.100115）開發更高生理相關性的人源模型勢在必行。類器官通過干細胞或組織樣本形成3D器官模型，能模擬真實器官的復雜結構、組織異質性和關鍵功能。科研人員已成功建立腦、肝、腸道等多種生理性或病理性類器官模型。器官芯片能夠在體外重現人體器官的動態微環境，模擬器官間的功能互作。呼吸肺、蠕動腸、節律性心臟、折疊大腦等用于模擬人類生理病理生態系統的器官芯片已被開發出來。類器官和器官芯片作為人源化模型，能夠更準確、高效的模擬人類疾病生理學，正在改變著生物醫學研究的未來。AI與類器官和器官芯片的無縫銜接，提升高通量篩選和臨床前預測的準確性，重構患者用藥以及實現精準醫療，加速藥物發現進程。AI與類器官和器官芯片的無縫銜接（源自文獻：doi:10.59717/j.xinn-life.2024.100115）傳統模型與新興技術的“迭代”傳統模型，如常規培養細胞和動物模型，奠定了生物醫學研究的基礎，是目前藥物開發與審核的“正規軍”。傳統模型能夠體現基本結構和功能，系統研究機體對外源物質的反應和發病機制，整個生態圈成熟。現在，傳統模型正在面臨挑戰。常規培養細胞難以真實反應細胞在體內的微環境和三維結構，動物模型與人體生理病理狀態存在種屬差異。類器官（HumanOrganoid,HO）類器官是體外培養的3D多細胞體系，一般由多能干細胞（PSC）或成體干細胞（ASC）衍生，在生理結構和功能上與人類組織或器官高度相似。在培養過程中，PSC來源的類器官需要根據特定譜系的發育途徑，及時且有序的添加相應細胞因子，確保干細胞在分化過程中形成正確的區域特征，并通過特異的生物標志物或功能來鑒定識別類器官。PSC衍生的類器官支持通過整合多細胞元素構建更為復雜的結構，例如血管和免疫系統。ASC來源的類器官（如患者來源的腫瘤類器官）不需要經過胚層引導，接種到細胞外基質后通過不同的細胞因子進行培養。ASC衍生的類器官能夠形成與患者相同基因的同源三維結構，為個性化治療和精準醫學提供可能。類器官研究進展（源自文獻：doi:10.1186/s13020-025-01071-8）腫瘤類器官（PDO）是當前研究的熱點領域，主要來自癌癥患者的活檢或手術組織中的干細胞，能夠忠實地再現其來源癌癥組織的特征，對藥物的敏感性呈現出良好的臨床預測價值。PDO能夠在體外穩定培養和傳代，為研究腫瘤的多種不同方面提供了重要的模型，如穩態、腫瘤發生、癌癥轉化的相關機制。2、器官芯片（Organs-on-chip,OOC）器官芯片是利用微加工和微流控技術，在芯片上構建的包含多種細胞類型的體外微生理系統，能夠模擬人體器官的關鍵功能和微環境。OOC強調通過創建與人體原器官相關的生態位條件來調控細胞行為，如通過3D拓撲結構引導細胞的定向遷移和分化、模擬運動器官的機械運動、模擬營養物質交換等生理條件。OOC還可以在特定培養系統中引入電磁或光學制動器，模擬心臟的跳動和血液流動，研究藥物對心臟功能的影響。OCC還具有高分辨原位成像能力，實時監測細胞對外部及內部刺激的反應，可用來研究肝臟的代謝、解毒功能以及藥物對肝的毒性。目前，OOC技術已“重現”多個人體器官，如肺、腸道、大腦、心臟、軟骨等，這些模型在器官再生、疾病研究及藥物篩選等領域潛力巨大。器官芯片模擬人體代謝過程（源自文獻：doi:10.1186/s13020-025-01071-8）3、類器官芯片（Organoids-on-chip,OrgOC）HO和OOC代表兩種不同但互為補充的仿生人體器官模型，將保真度高的HO與集成度高的OOC結合在一起，是否會進一步縮小生物研究與臨床結果之間的轉化鴻溝呢？于是，科研人員開發了類器官芯片（Organoids-on-chip,OrgOC）技術。2019年，Science首次提出類器官芯片的概念。OrgOC構建需遵循器官發育生物學的特定原則，并兼顧微型裝置的可行性與穩定性。芯片微結構需要根據待模擬的細胞類型及其空間分布進行設計。隨后將相關的微環境組分引入系統以誘導細胞行為。最后在適當的區室培養所需結構和功能特征的類器官。類器官芯片明顯提高了藥物療效及安全性預測的可靠性，降低成本與藥物失敗率，為藥物的臨床前評估和臨床試驗提供有力的科學依據。OrgOC還可以與AI、多重生物傳感器、多組學分析、基因編輯等技術融合，進一步擴大應用領域，目前已建立生殖系統、內分泌系統、血管系統、神經系統等多種OrgOC，廣泛用于基礎研究和轉化醫學。類器官芯片具有更多功能優勢（源自文獻：doi:10.1038/s41420-023-01354-9）如何構建類器官芯片類器官芯片的構建結合了生物學和工程學的多個學科技術，主要包括以下4個關鍵步驟：類器官的培養從人體獲得干細胞或腫瘤組織細胞，使用特定的培養基和細胞因子，誘導細胞自組裝成具有器官功能特性的3D微型組織。如腸道類器官需要Wnt信號激活劑和其他小分子以支持腸上皮的生長和分化，添加表皮生長因子（EGF）、成纖維細胞生長因子（FGF）等生長因子，以促進腸道類器官的增殖。芯片的設計與制作微流控系統需要考慮流體動力學參數，如流速、剪切力和擴散效應等，確保類器官能夠在動態環境中正常生長。類器官與芯片整合將類器官嵌入到芯片中是構建OrgOC的關鍵步驟。利用微泵將細胞懸液精確注入到細胞培養腔室中，需要嚴格控制細胞濃度和接種量。培養過程中，通過微流控系統持續向芯片中輸送添加營養物質、細胞因子和生長因子的培養基，為類器官模擬體內的動態微環境。功能模塊集成為實時監測類器官的代謝和功能，需要在芯片中集成傳感器和檢測模塊，如pH傳感器、氧氣濃度傳感器、電化學檢測元件等。此外，芯片還可以嵌入多通道系統，實現多種類器官的協同培養，如將肝類器官和腸類器官連接，以研究藥物代謝和毒性。類器官芯片構建示意圖（源自文獻：doi:10.1093/lifemedi/lnad007）義翹神州類器官研究解決方案綜上所述，基于類器官的模型技術能夠模擬生命周期的復雜環境，如器官在疾病發生后會受到哪些影響？通過藥物和細胞治療能夠達到何種程度？因此，在基礎研究、疾病建模、藥物篩選和個性化醫療等領域應用潛力巨大。作為一家專注于為全球生物醫藥領域提供生物試劑和技術服務的高新技術企業，義翹神州自主開發了類器官培養、分化、分析和鑒定所需的細胞因子、生長因子、小分子化合物及抗體等產品。我們現推出升級版的類器官研究解決方案，涵蓋多種生理和病理類器官模型，全力支持您的類器官培養與鑒定需求。免責聲明：義翹神州內容團隊僅是分享和解讀公開的研究論文及其發現，專注于介紹全球生物醫藥研究新進展。本文僅作信息交流用，文中觀點不代表義翹神州立場。隨著對疾病機制研究的深入，新的實驗結果或結論可能會修改或推翻文中的描述，還請大家理解。本文不屬于治療方案推薦，如需獲得治療方案指導，請前往正規醫院就診。本司產品目前僅可用于科學研究，不可用于臨床治療。【參考文獻】LiangbinZhou,etal.Whenartificialintelligence(AI)meetsorganoidsandorgans-on-chips(OoCs):Game-changerfordrugdiscoveryanddevelopment?TheInnovationLife,2025./10.59717/j.xinn-life.2024.100115

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