心血管疾病（CVD）是當(dāng)下一項(xiàng)日益嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題。藥物開發(fā)是治療心血管疾病的重要手段之一。然而，目前的藥物評(píng)價(jià)方法，例如動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)，由于其成本高，并且存在物種差異和倫理問題，具有一定的局限性。此外，利用傳統(tǒng)的二維（2D）細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)構(gòu)建的細(xì)胞模型缺乏人體生理系統(tǒng)的復(fù)雜性，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致具有誤導(dǎo)性的藥物篩選結(jié)果。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們一直在探索更有效的藥物評(píng)價(jià)方法，例如開發(fā)體外三維（3D）組織培養(yǎng)模型。目前，類器官（organoids）、微流控芯片（microfluidic chips）和器官芯片（organ-on-a-chip，OoC）技術(shù)已經(jīng)成為改善藥物篩選功效和毒性評(píng)估的有前途平臺(tái)。

類器官來源于自組裝的干細(xì)胞，可以在體外重建類組織結(jié)構(gòu)和功能，顯示出疾病治療靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、藥物篩選和組織再生的潛力。然而，類器官在成熟度和功能方面存在局限性，在協(xié)調(diào)多細(xì)胞類型分化的異質(zhì)性控制方面也存在挑戰(zhàn)。微流控芯片由于具有高通量、易于集成、低樣品和試劑消耗，以及便攜式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在疾病輔助診斷、藥物遞送、篩選和分析方面越來越受到青睞。然而，由于需要精密的微結(jié)構(gòu)加工，微流控技術(shù)的成本可能較高，并且在技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上具有挑戰(zhàn)性。此外，基于微流控技術(shù)構(gòu)建的體外模型通常無法良好復(fù)現(xiàn)人體內(nèi)的生理環(huán)境。值得慶幸的是，器官芯片技術(shù)通過將微流控技術(shù)的精確流體操縱與體外3D細(xì)胞培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，為疾病研究和藥物篩選創(chuàng)造了一個(gè)高度仿生的平臺(tái)（圖1）。

器官芯片與2D細(xì)胞培養(yǎng)、類器官和動(dòng)物模型的比較及其優(yōu)缺點(diǎn)概述

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，南方醫(yī)科大學(xué)第十附屬醫(yī)院的研究人員在MedComm–Biomaterials and Applications期刊上發(fā)表了題為“Advances in organ-on-a-chip for the treatment of cardiovascular diseases”的綜述性論文。該論文首先介紹了器官芯片技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)，包括其高度仿真的生理微環(huán)境、良好的集成功能，以及通過微流控技術(shù)連接不同的單個(gè)器官芯片構(gòu)建多器官芯片（multiorgan-on-a-chip，MOoC）的潛力。隨后，作者總結(jié)了器官芯片在疾病病理模型構(gòu)建中的作用，為探索疾病病理機(jī)制提供了新的途徑。此外，作者討論了器官芯片技術(shù)在心臟再生和藥物篩選中的應(yīng)用。最后，作者探討了基于器官芯片技術(shù)構(gòu)建組織模型所面臨的挑戰(zhàn)以及這種創(chuàng)新方法的前景。

器官芯片技術(shù)概述

最初，器官芯片技術(shù)的發(fā)展主要是為了提高藥物篩選的效率，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)缺乏復(fù)雜的生理或病理仿生結(jié)構(gòu)，獲得的數(shù)據(jù)不夠有說服力。而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)存在倫理問題，并且在效率方面體現(xiàn)出較低的成本效益。隨著相關(guān)核心技術(shù)的不斷革新，器官芯片技術(shù)逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。因此，作者介紹了器官芯片技術(shù)的一些優(yōu)勢(shì)，包括可以通過3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)結(jié)合多種生物因子和材料構(gòu)建高度仿生的微環(huán)境，并且能夠使用3D打印技術(shù)和不同的材料構(gòu)建具有集成功能的微流控芯片裝置。最后，作者總結(jié)了通過利用微流控技術(shù)連接不同的單個(gè)器官芯片模型構(gòu)建多器官芯片的潛在優(yōu)勢(shì)。

具有高度仿生的生理微環(huán)境的器官芯片

具有集成功能的器官芯片

人體芯片（Human-on-a-chip）的構(gòu)建

器官芯片在心血管疾病研究中的應(yīng)用

目前，器官芯片技術(shù)在藥物篩選、疾病治療和病理機(jī)制研究等方面顯示出巨大的潛力。因此，作者就器官芯片在心血管疾病研究中的一些應(yīng)用及進(jìn)展進(jìn)行了概述，包括心血管疾病發(fā)病機(jī)制的研究、心臟再生及相關(guān)心血管治療藥物的篩選。

器官芯片在心血管疾病發(fā)病機(jī)制研究中的應(yīng)用

器官芯片在心臟再生研究中的應(yīng)用

用于心血管疾病治療的器官芯片技術(shù)的未來前景和挑戰(zhàn)

目前，基于器官芯片技術(shù)構(gòu)建的組織模型的一個(gè)關(guān)鍵局限之處是缺乏從微圖案（micropattern）的結(jié)構(gòu)完整性以及其對(duì)細(xì)胞行為的影響方面反映生物材料降解特性的研究。器官芯片最重要的特性之一是芯片內(nèi)細(xì)胞的空間分布和結(jié)構(gòu)組織，這對(duì)于引導(dǎo)細(xì)胞的生長(zhǎng)取向和傳質(zhì)至關(guān)重要。因此，進(jìn)一步研究生物材料的降解特性對(duì)細(xì)胞排列和細(xì)胞功能的影響，可能有助于揭示這些問題。

此外，根據(jù)臨床參數(shù)，工程構(gòu)建物內(nèi)的細(xì)胞密度似乎模糊了工程組織與完全刺激性原生組織功能之間的界限。例如，心肌細(xì)胞的密度預(yù)估高達(dá)108個(gè)細(xì)胞/立方厘米，這在微圖案化的2D細(xì)胞模型中似乎很難實(shí)現(xiàn)。另外，雖然3D器官組織模型對(duì)藥物發(fā)現(xiàn)意義重大，但使用對(duì)疏水小分子具有較低吸收率的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為芯片的基底可能會(huì)誤導(dǎo)藥物評(píng)價(jià)的結(jié)果。此外，未來還需要做出更多的努力來增強(qiáng)器官芯片中細(xì)胞間的相互作用、細(xì)胞層之間的交互以及器官芯片的整體功能。同時(shí)，還應(yīng)該考慮有限的質(zhì)量擴(kuò)散距離與較厚的多層工程心臟組織之間的平衡問題。

除了以上技術(shù)要求外，通過實(shí)時(shí)成像評(píng)估細(xì)胞行為并建立血管化組織結(jié)構(gòu)面臨著更多的困難?，F(xiàn)有的熒光成像方法和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)是檢測(cè)細(xì)胞功能和組織發(fā)育不可或缺的工具，但是，因?yàn)槭艿揭晥?chǎng)范圍的限制，這些方法和技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)，尤其是應(yīng)用于這些構(gòu)造的組織結(jié)構(gòu)時(shí)。因此，亟需開發(fā)新的成像技術(shù)，以促進(jìn)對(duì)于各種功能器官的工程研究及其在藥物發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用。

審核編輯：彭菁