體外生物學模型對于廣泛的生物醫(yī)學研究至關重要，包括藥物開發(fā)、病理學研究和個性化醫(yī)療。作為體外3D生物模型的潛在變革范例，器官芯片（OOC）已得到廣泛開發(fā)。OOC的關鍵功能是支持對活體組織及其微環(huán)境進行多方面的及時分析，因此智能OOC系統(tǒng)受到了越來越多的關注。

近日，來自加拿大多倫多大學的Xinyu Liu聯(lián)合西安交通大學的Jiankang He探討了智能OOC（iOOC）系統(tǒng)的最新進展，并對促進iOOC系統(tǒng)興起的原位傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理方法和動態(tài)調制組件進行了全面分析。此外，該綜述對iOOC系統(tǒng)組件的潛在機制、技術和應用進行了調研。當與iOOC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理技術和動態(tài)調制組件相結合時，來自集成傳感器的數(shù)據(jù)流可以形成一個閉環(huán)，用于精確控制iOOC模型，并可以促進深入的生物醫(yī)學發(fā)現(xiàn)（例如，用于優(yōu)化藥物劑量的藥代動力學/藥效學研究）。因此，iOOC系統(tǒng)具有成為各種生物醫(yī)學應用中可靠和有效的工具的巨大潛力。相關綜述論文以“Advancing Intelligent Organs-on-a-Chip Systems with Comprehensive in situ Bioanalysis”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。

圖1 iOOC系統(tǒng)示意圖

OOC向iOOC系統(tǒng)的演進

OOC技術已得到廣泛開發(fā)，以解決傳統(tǒng)2D細胞培養(yǎng)的局限性，例如無法構建異質細胞群和細胞外基質環(huán)境的3D組織特異性結構。OOC技術源于微流控與組織工程的融合（圖2）。雖然組織工程的最初目標是再生人體組織，但該技術已經(jīng)產(chǎn)生了各種構建3D組織結構的方法，這些結構可能由細胞外基質材料、支架結構以及各種細胞的預定義組成和排列組成。設計OOC的主要范式是重建特定組織的組成和微環(huán)境的關鍵方面，微流控和組織工程技術為OOC的發(fā)展帶來了三個關鍵優(yōu)勢。

由于傳感器和OOC之間的集成，智能OOC（iOOC）系統(tǒng)將興起：不同的傳感單元不斷報告OOC模型的狀況，并使用詢問模型的算法處理數(shù)據(jù)流或使用OOC中的有源組件對其進行調制。iOOC系統(tǒng)可以建立更可控、更準確、更可靠的體外模型，并可以加深對生理和病理活動的理解。

圖2 器官芯片系統(tǒng)的演變

iOOC系統(tǒng)的原位傳感

與iOOC系統(tǒng)集成的各種傳感單元收集關鍵的生物信息并生成為智能功能奠定基礎的數(shù)據(jù)流。在該論文中，作者概述了將傳感單元集成到iOOC系統(tǒng)中的技術，然后分析傳感單元的集成方法。

（1）iOOC系統(tǒng)的傳感技術

已經(jīng)建立了許多方法將細胞和微環(huán)境的屬性轉換為可以用電路輕松處理的電信號。此部分，主要總結了基于電生理信號記錄以及電阻和阻抗測量的iOOC系統(tǒng)的原位電傳感技術（圖3A）。電化學生物傳感器將與電化學反應相關的生物信息轉化為可測量的電信號，例如電導、電阻和電極表面電容的變化（圖3B）。一般來說，電化學生物傳感機制提供高特異性、寬動態(tài)范圍、易于定量的電輸出以及方便的集成。它們通常適用于檢測指向多種信息的分子生物標志物。特別是，集成在器官芯片上的電化學生物傳感器可以以多重方式檢測多種生物標志物。此外，還有iOOC系統(tǒng)的光學傳感技術、機械傳感技術均對其進行了詳細說明。

圖3iOOC系統(tǒng)生物傳感的電傳感機制

（2）將傳感器集成到iOOC系統(tǒng)中的策略

傳感單元應與iOOC系統(tǒng)無縫集成，以持續(xù)生成支撐系統(tǒng)智能的有價值的數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)高性能監(jiān)測，傳感機制應與目標相匹配，并且傳感器的功能在微流控、動態(tài)和組織涉及的微環(huán)境中應具有魯棒性，因為可能存在阻尼效應、改變離子分布和其他干擾。

人們提出了多種策略將傳感單元集成到iOOC系統(tǒng)中。主要有：（i）與組織直接結合：傳感結構可以與體外活組織或類器官建立接觸和整合，以連續(xù)記錄反映這些模型生理狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)。作者總結了生物傳感單元與活體組織集成的形式，包括離散探針、2D接觸、3D包裹和3D嵌入（圖4、圖5）。（ii）其他整合策略：傳感單元可以放置在微流控環(huán)境中，而無需直接接觸組織，一種典型的方法是將傳感單元合并到微流控通道或室中以監(jiān)測培養(yǎng)基的狀況；此外，傳感單元可以制成可移動的以探測局部組織或培養(yǎng)基。

圖4 2D接觸和3D包裹形式的傳感器-組織集成

圖5 3D嵌入形式的組織傳感器集成

（3）在iOOC系統(tǒng)中感測多模態(tài)信息

iOOC系統(tǒng)中的組織模型構成了對生物醫(yī)學有價值的復雜細胞信息的中心。在該論文中，作者總結并討論了有關生物標志物、細胞-細胞連接、生物電活動和生物力學活動的細胞信息的解釋。

細胞培養(yǎng)微環(huán)境的準確監(jiān)測和控制對于體外生物模型的成功至關重要，因為微環(huán)境的變化會影響細胞的代謝和功能表達。為了在體外盡可能準確地預測體內細胞或組織的反應，需要在iOOC系統(tǒng)中監(jiān)測氧含量、pH值和溫度等各種微環(huán)境信息。

iOOC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

iOOC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術的作用可以從兩個方面來考慮。首先，數(shù)據(jù)處理可用于調整iOOC系統(tǒng)中的驅動部件，以確保精確調制并使系統(tǒng)更加自動化。其次，數(shù)據(jù)處理可以帶來對發(fā)育、生理和病理過程的更多生物醫(yī)學見解。在該論文中，作者介紹了可用于處理iOOC系統(tǒng)生物分析數(shù)據(jù)的方法，包括圖像分析、傳感數(shù)據(jù)解釋、自動化和數(shù)值模擬。

（1）iOOC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術

作為人工智能和計算機科學的重要課題，機器學習算法直接從數(shù)據(jù)中解釋信息，而不依賴于預定模型（例如指定的標準和校準曲線），通常用于分類、回歸和聚類等工作（圖6A ~ 6D）。分類本質上是將數(shù)據(jù)點分配給離散類別，回歸生成連續(xù)值作為輸出，聚類本質上預測數(shù)據(jù)集中相似數(shù)據(jù)點的分組。這些算法隨著數(shù)據(jù)量的增加而提高其性能。

圖6iOOC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術

（2）iOOC系統(tǒng)的數(shù)值模擬技術

可以采用有限元法、格子玻爾茲曼法、平滑粒子流體動力學等數(shù)值模擬技術來深入了解iOOC系統(tǒng)的物理和化學環(huán)境。數(shù)值模擬技術有助于消除重復實驗測量（例如剪切應力和氧氣分布）的需要，并允許以較低的成本優(yōu)化iOOC系統(tǒng)。此外，這些技術可以提高對iOOC系統(tǒng)微環(huán)境中物理現(xiàn)象和組織行為的理解。

（3）iOOC系統(tǒng)的閉環(huán)控制技術

為了實現(xiàn)更高水平的質量控制并準確調整iOOC系統(tǒng)中的模型條件，可以利用依賴于傳感器數(shù)據(jù)流的閉環(huán)控制（也稱為反饋控制）技術。在工程設備廣泛采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量實際輸出信號并將其與所需輸出信號進行比較，以計算誤差項，該誤差項用于生成調整輸入的控制信號（圖6E）。

iOOC系統(tǒng)的動態(tài)調制

生物組織對其微環(huán)境中的各種外部刺激敏感，越來越多的研究證明，各種細胞-細胞外基質（ECM）和細胞-細胞相互作用可以導致廣泛的組織特異性表型。iOOC系統(tǒng)為加深對這種復雜相互作用的理解提供了新的機會，因為可以部署集成到這些系統(tǒng)中的調節(jié)組件來控制微環(huán)境并調整組織模型以代表生理和病理條件。iOOC系統(tǒng)中的某些組件可以執(zhí)行傳感和調制的綜合功能，支持iOOC模型的雙向原位表征，以揭示更深入的生物醫(yī)學見解。

（1）iOOC系統(tǒng)的機械載荷：在具有動態(tài)細胞培養(yǎng)環(huán)境的OCC系統(tǒng)中應用機械載荷對于在體外建立類組織的生理微環(huán)境至關重要。為了產(chǎn)生動態(tài)拉伸和壓縮，通常需要專門的機械結構和驅動機制，而在OOC中可以通過控制流體動力學來精確調節(jié)剪切應力（圖7）。

圖7 iOOC系統(tǒng)中的機械調制原理圖

（2）iOOC系統(tǒng)的電刺激：多種細胞行為受到內源電流和電位的調節(jié)，因此iOOC系統(tǒng)中經(jīng)常需要電刺激。為了產(chǎn)生特定目的的可控電刺激，需要仔細配置相應的電元件。許多結合電刺激的OOC設備被設計用于研究肌肉、心臟和神經(jīng)系統(tǒng)（圖8A）。

圖8 iOOC系統(tǒng)中的電氣和化學調制原理圖

（3）iOOC系統(tǒng)的化學處理：準確的體外生理模型通常需要時間和空間可控的化學環(huán)境。通過微流控技術，可以在整個裝置的可調節(jié)流體流量內精確控制化學相互作用和分布，以匹配與細胞成分相同的規(guī)模。微流控裝置中可以使用化學信號發(fā)生器，向細胞引入隨時間變化的化學信號，以便研究組織對動態(tài)變化的化學信號的反應（圖8B）。

未來展望

（1）傳感單元

iOOC系統(tǒng)中生物傳感單元的未來發(fā)展可以充分利用生物傳感器和生物電子學領域的新興技術和策略。在傳感材料和制造方法方面研究進展的推動下，生物傳感器和生物電子學正在獲得越來越強大的能力，例如高靈敏度、高小型化以及與活體組織改善的機械相容性。因此，它們更適合集成到iOOC系統(tǒng)中。

（2）數(shù)據(jù)處理

隨著iOOC系統(tǒng)的不斷發(fā)展，將培養(yǎng)、維護、監(jiān)測和調節(jié)各種各樣的組織模型，這將構成有價值的生物醫(yī)學數(shù)據(jù)的重要來源。例如，iOOC系統(tǒng)可以形成具有不同細胞組成和微環(huán)境的組織模型以模擬特定疾病狀況，并且iOOC系統(tǒng)可以支持對組織模型的不同區(qū)域進行各種連續(xù)生物分析以檢測空間異質性。此外，iOOC系統(tǒng)的多模態(tài)傳感數(shù)據(jù)可以與組織模型的多組學數(shù)據(jù)相關聯(lián)，以對生物機制產(chǎn)生更深入、更全面的理解。

（3）調節(jié)單元

iOOC系統(tǒng)中的調節(jié)單元可以通過利用技術發(fā)展和生物醫(yī)學研究的進步來尋求更深入的組織整合和更有效的擾動，如軟生物電子元件、新型微米和納米級結構等。

（4）智能芯片人系統(tǒng)

連接不同器官微型模型的人體芯片設備的出現(xiàn)，為研究人體器官的復雜相互作用和獲得對生理學和病理學的系統(tǒng)見解提供了可能性。當iOOC系統(tǒng)集成人體芯片模型時，由多個傳感器支持的原位生物分析可以增強這些模型充分發(fā)揮其潛力。

（5）iOOC系統(tǒng)的標準化

質量控制已被OOC技術研發(fā)界視為一項關鍵任務，非常需要OOC的標準化，以對臨床實踐和制藥行業(yè)產(chǎn)生重大影響iOOC系統(tǒng)的發(fā)展可能會對標準化產(chǎn)生多方面的影響。

審核編輯：劉清