心血管疾病（CVD）是當下一項日益嚴重的公共衛生問題。藥物開發是治療心血管疾病的重要手段之一。然而，目前的藥物評價方法，例如動物模型實驗，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，利用傳統的二維（2D）細胞培養技術構建的細胞模型缺乏人體生理系統的復雜性，有時會導致具有誤導性的藥物篩選結果。

為了應對這些挑戰，科學家們一直在探索更有效的藥物評價方法，例如開發體外三維（3D）組織培養模型。目前，類器官（organoids）、微流控芯片（microfluidic chips）和器官芯片（organ-on-a-chip，OoC）技術已經成為改善藥物篩選功效和毒性評估的有前途平臺。

類器官來源于自組裝的干細胞，可以在體外重建類組織結構和功能，顯示出疾病治療靶點發現、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，在協調多細胞類型分化的異質性控制方面也存在挑戰。微流控芯片由于具有高通量、易于集成、低樣品和試劑消耗，以及便攜式結構的優勢，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構加工，微流控技術的成本可能較高，并且在技術的實現上具有挑戰性。此外，基于微流控技術構建的體外模型通常無法良好復現人體內的生理環境。值得慶幸的是，器官芯片技術通過將微流控技術的精確流體操縱與體外3D細胞培養的優勢相結合，為疾病研究和藥物篩選創造了一個高度仿生的平臺（圖1）。

器官芯片與2D細胞培養、類器官和動物模型的比較及其優缺點概述

據麥姆斯咨詢報道，近期，南方醫科大學第十附屬醫院的研究人員在MedComm–Biomaterials and Applications期刊上發表了題為“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的主要優勢，包括其高度仿真的生理微環境、良好的集成功能，以及通過微流控技術連接不同的單個器官芯片構建多器官芯片（multiorgan-on-a-chip，MOoC）的潛力。隨后，作者總結了器官芯片在疾病病理模型構建中的作用，為探索疾病病理機制提供了新的途徑。此外，作者討論了器官芯片技術在心臟再生和藥物篩選中的應用。最后，作者探討了基于器官芯片技術構建組織模型所面臨的挑戰以及這種創新方法的前景。

器官芯片技術概述

最初，器官芯片技術的發展主要是為了提高藥物篩選的效率，因為傳統的2D細胞培養缺乏復雜的生理或病理仿生結構，獲得的數據不夠有說服力。而動物實驗存在倫理問題，并且在效率方面體現出較低的成本效益。隨著相關核心技術的不斷革新，器官芯片技術逐漸得到了廣泛的應用。因此，作者介紹了器官芯片技術的一些優勢，包括可以通過3D細胞培養技術結合多種生物因子和材料構建高度仿生的微環境，并且能夠使用3D打印技術和不同的材料構建具有集成功能的微流控芯片裝置。最后，作者總結了通過利用微流控技術連接不同的單個器官芯片模型構建多器官芯片的潛在優勢。

具有高度仿生的生理微環境的器官芯片

具有集成功能的器官芯片

人體芯片（Human-on-a-chip）的構建

器官芯片在心血管疾病研究中的應用

目前，器官芯片技術在藥物篩選、疾病治療和病理機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用及進展進行了概述，包括心血管疾病發病機制的研究、心臟再生及相關心血管治療藥物的篩選。

器官芯片在心血管疾病發病機制研究中的應用

器官芯片在心臟再生研究中的應用

用于心血管疾病治療的器官芯片技術的未來前景和挑戰

目前，基于器官芯片技術構建的組織模型的一個關鍵局限之處是缺乏從微圖案（micropattern）的結構完整性以及其對細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細胞的空間分布和結構組織，這對于引導細胞的生長取向和傳質至關重要。因此，進一步研究生物材料的降解特性對細胞排列和細胞功能的影響，可能有助于揭示這些問題。

此外，根據臨床參數，工程構建物內的細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，心肌細胞的密度預估高達108個細胞/立方厘米，這在微圖案化的2D細胞模型中似乎很難實現。另外，雖然3D器官組織模型對藥物發現意義重大，但使用對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誤導藥物評價的結果。此外，未來還需要做出更多的努力來增強器官芯片中細胞間的相互作用、細胞層之間的交互以及器官芯片的整體功能。同時，還應該考慮有限的質量擴散距離與較厚的多層工程心臟組織之間的平衡問題。

除了以上技術要求外，通過實時成像評估細胞行為并建立血管化組織結構面臨著更多的困難。現有的熒光成像方法和實時監測技術是檢測細胞功能和組織發育不可或缺的工具，但是，因為受到視場范圍的限制，這些方法和技術面臨著挑戰，尤其是應用于這些構造的組織結構時。因此，亟需開發新的成像技術，以促進對于各種功能器官的工程研究及其在藥物發現中的應用。

審核編輯：彭菁