OOAC的应用

器官/疾病建模

与多个器官/器官系统相关的疾病途径的体外建模具有无数潜在的应用：分析器官解剖结构、功能、深入的疾病病因学、开发可靠的诊断方法以及有效和耐受性良好的治疗剂。X连锁视网膜色素变性是一种遗传性视网膜营养不良，可导致过早失明。R. Megaw等开发了一个3D视网膜类器官模型来分析视网膜色素变性GTP酶调节剂 (RGPR) 在视网膜变性中的作用。Ohlemacher及其同事设计了一个模型，通过从遗传患者身上获得的样本来研究青光眼。该研究进一步证明，人类多能干细胞在药理学筛选和疾病建模中可能是必不可少的，这可以缩小由现有临床试验、测试和动物模型方法造成的差距，从而允许使用体外系统评估疾病进展。Barth综合征是一种由TAFAZZIN基因突变引起的X连锁遗传疾病，影响多个器官系统。这种疾病的主要特征之一是心肌病，它通常以扩张型心肌病和心内膜弹性纤维增生的形式发生。为了研究这种疾病的病理生理学，Wang 等人制备了与Barth综合征相关的心肌病体外模型。来自无关个体的iPSC用于调查。该模型被证明适用于药物发现和治疗目的。还开发了一种由适应不良心脏肥大导致的心肌衰竭的体外模型，并发现该模型可用于与该疾病相关的遗传和功能研究。

药理研究

药物开发过程始于早期的基于实验室的发现阶段，并在向行业发布后结束于最终的营销和监督。它涉及五个基本步骤：(i) 药物发现和开发；(ii) 临床前研究；(iii) 临床开发；(iv) FDA 审查和批准；(v) 发布后的安全监测。整个过程至少需要10-15年。如果所研究的药物无效、与人体新陈代谢不相容，或具有严重或致命的副作用，则会给制药公司和生物技术公司造成重大损失。使用OOAC模型可以有效地监测药物效率的快速准确评估以及新疗法对靶位点和相关器官的影响。2018 年，Seo和他的同事成功地设计了一个眨眼的人眼来评估角膜治疗药物以防止干眼症。通过这个实验，他们确定了眼表的新机械生物学方面。血栓形成是常见的死亡原因，因为它会阻塞血管。为了评估剪切靶向药物的疗效，制备了血管狭窄的复制模型。纳米颗粒聚集在一起进行给药，同时吸收异常的流体剪切应力。该平台在药物靶向递送、药物筛选和新型溶栓药物开发方面具有潜在应用。Namdee及其同事制备了人类微血管来评估血管靶向载体 (VTC) 的性能。该模型表明，纳米球定位目标血管壁中游的能力很差。然而，微球比纳米球提供更好的边距。这些发现在药物筛选中至关重要。

个性化医疗

根据所治疗的疾病，通常为多名患者开出类似类别的药物。在临床环境中，药物疗效和耐受性在人群中可能存在很大差异。例如，对卡培他滨（一种常用于结直肠恶性肿瘤的口服化疗药物）的耐受性差异很大，因此北美与东亚人群的毒性（中性粒细胞减少症、胃肠道和皮肤）发生率和治疗中断发生率较高。我们只是触及了精准医学的表面。实体瘤的基因组测序和关键分子靶点的鉴定已经改变了原发性和转移性肿瘤的格局，从致命疾病转变为可能治愈的慢性疾病。

将精准医疗扩展到其他疾病，如 HIV/AID、乙型肝炎和其他慢性病，将彻底改变患者护理。精准医学将允许根据患者的健康史和遗传特征开发高效和个性化的治疗方法。使用健康数据和患者样本，可以执行OOAC的个性化。样本采集可以通过血液、尿液、粪便和/或活检样本轻松获得。Benam 和同事形成了一个呼吸气道芯片来研究COPD和哮喘的病理生理学。当使用聚肌苷:聚胞苷酸将气道上皮暴露于细菌感染时，在上皮中观察到促炎状态，模拟哮喘恶化的影响。该设备可有效地在芯片上对患者特定问题进行建模。尽管原始组织样本来源很少，但获得患者特异性干细胞在个性化医疗中具有几个潜在优势。某些细胞类型，如心肌细胞和足细胞，很难在芯片上再生；在体外环境中维持分化细胞具有挑战性，因此限制了个体化医疗的应用。iPSCs具有高度分化和在体外环境中维持自身的能力；因此，它们可以用来克服这些限制。为了研究源自iPSCs的内皮细胞 (ECs) 的功能特性，Halaidych及其同事进行了通过内皮细胞与白细胞相互作用模拟炎症反应的实验，并通过伤口愈合和实时迁移分析分析了屏障功能。这些是针对患者特定状况的研究中的重要发现。

促进牙科发展

根据世卫组织2020年12月23日的一份报告，超过35亿人患有口腔疾病，从1990年到2017年，这种情况没有得到改善。未经治疗的龋齿是最常见的永久性龋齿，影响了23 亿人。严重牙周病是牙齿脱落的主要原因，预计将影响2.67亿人，主要是老年人。口腔癌是全球最常见的15种癌症之一，每年有超过500,000例病例和近180,000人死亡。

牙齿具有独特的生物学结构，对疾病治疗至关重要。牙髓内的细胞通过钙化的渗透膜间接结合，该渗透膜由牙本质基质和许多直径约2微米的牙本质小管产生。虽然牙髓对生物材料的细胞毒性反应已被广泛研究，但缺乏概括牙本质-牙髓界面的体外研究，以了解生物材料对活牙髓细胞的形态、代谢和功能活性。为了解决这个问题，Cristaine及其同事开发了一种器官芯片模型系统，该系统将培养在牙本质壁上的细胞连接到一个微流体装置内，该装置复制了牙本质-牙髓界面的一些结构和功能。芯片上的牙齿由模制的PDMS制成，由两个由牙本质碎片隔开的腔室组成。为了在芯片上捕获牙髓细胞对牙科材料的反应，来自根尖乳头 (SCAP) 的干细胞在牙源性培养基中培养，接种到牙本质表面并在活细胞显微镜下观察。在芯片上测试临床使用的标准牙科材料的细胞毒性、细胞形态和代谢活性，并与标准化的芯片外对照进行比较。总之，牙齿芯片是一个模拟牙髓-牙本质界面生理条件的平台，并允许活细胞成像研究牙髓细胞对生物材料的反应。

Rahimi等试图开发一种由未分化的角质形成细胞和牙龈成纤维细胞组成的横向结构的口腔黏膜芯片，以评估黏膜重塑以及上皮和上皮下层对口腔环境中常见状况的反应。牙龈成纤维细胞胶原水凝胶聚集在三通道微流体腔室的中央通道中，该腔室具有相互连接的孔隙，并伴有与暴露在孔隙中的胶原蛋白相连的角质形成细胞层。整合角质形成细胞、成纤维细胞和胶原蛋白的密度以创建一个稳定超过一周的共培养组织样结构。用落射荧光显微镜对细胞进行染色和成像以确认层特征。作为概念验证，粘膜结构分别暴露于牙科单体、甲基丙烯酸 2-羟乙酯 (HEMA) 和口腔细菌变形链球菌。暴露于牙科单体会降低粘膜细胞的活力，而暴露于细菌会降低跨上皮电阻。这些发现表明，口腔黏膜芯片为通过组织层的组织学图像研究口腔黏膜与细菌和生物材料的连接提供了合适的介质。Niu及其同事通过软光刻技术制造了微流控芯片。芯片上的微通道可以复制牙本质小管的微观结构和连接微通道的微腔，可用于成牙本质细胞的培养。该装置成功地诱导了细胞体中成牙本质细胞的生长；此外，各种微通道尺寸（即2、4、6 和8µm）的使用提供了有关成牙本质细胞过程的生长与微通道施加的几何约束之间关系的信息。制造的微流控芯片可以作为未来研究成牙本质细胞过程的生理学和病理学以及开发牙本质过敏等牙科疾病治疗解决方案的有力工具。

器官芯片展望

模拟器官的体外系统必须能够复制特定器官类型的完整结构和功能机制。然而，迄今为止开发的系统都不能复制器官的整个生理学，这促使人们寻找更多信息系统。PDMS因其优异的弹性特性而被用于制造；然而，它具有在吸收某些化合物时收缩的局限性。因此，需要确定具有改进性能的替代材料，以在向行业发布之前扩大生产规模。iPSC的采购及其可重复性是额外的限制因素。由于流体系统需要非常精确的化合物提取和注射，因此需要自动化流体处理系统 。光学、电气和电化学传感器用于监测细胞和组织反应；然而，尽管具有实现实时分析的优势，但这些传感器在处理小型化尺寸的少量试剂方面效率低下。与其他传感器相比，这些传感器中的每一个都有自己的优点和缺点。材料、芯片位置和芯片组装的选择在传感器产生正确输出方面起着重要作用。饱和和再生也是与电流传感器相关的障碍。传感器集成OOAC平台的开发依赖于其他领域的发展，例如微细加工、材料科学、生物传感器和合成化学。需要具有高灵敏度和特异性的微传感器来更准确和精确地测量生理参数。由于所有人体系统都是相互连接的，因此需要在芯片上使用单个器官系统来完整分析器官特异性机制。最终，为了评估整个系统，即多个器官之间的相互作用、细胞迁移的机制以及它们之间的细胞信号传递过程，需要进一步发展一个芯片上的概念。

尽管存在所有这些挑战，OOAC具有广阔的前景，并且是一个积极追求的领域。鼓励读者阅读最近关于该主题的另一篇评论。微生物机器人 (MBR) 可以部署在OOAC中用于多种用途，例如药物输送、细胞环境中组织生理学的实时监测以及作为试验台。通过这些，可以将更精确和自动化的药物输送到目标部位。将微传感器与OOAC集成的其他研究可以使这些实验的输出更加可靠和准确。最后，新平台应该包含一种基本机制来分析系统受到外来颗粒时的免疫反应。随着新的开源代码和更好的神经网络模型的出现，OOAC 和人工智能的结合可以管理高度劳动密集型的数据，提高数据分析和自动化程度。预计在不久的将来会发展出更多的人工智能集成系统以及成像模式。