多器官微流控芯片的设计及新应用

多器官微流控芯片设计

多器官微流控芯片的设计基于PBPK的理念，可利用模型预测人体对药物的反应以及药物的作用机制。最常制造的装置是尺寸在10~200mm之间的微流体通道，隔室的大小根据其功能正确地设计比例，不同的器官功能根据其机制的不同而具有不同的尺度。微流体系统材料通常采用聚二甲基硅氧烷，优化后多用多孔性较好的水凝胶，可允许水凝胶支架内的分子扩散。芯片制作后需要鉴定和测量培养的组织在用药物或工程刺激物处理时的功能反应，进行细胞活力、机械力、电信号检测以及化学分析等。 

目前，设计微流控芯片体系主要使用PBPK模型和PD模型。在PBPK模型中，药代动力学 （Pharmacokinetics, PK）建模的方法用来设计和操作以再现多器官相互作用。PK建模可量化身体不同部位的药物量，可用简单的术语来描述药物给药后吸收、分布、代谢和消除的复杂过程，并深入了解药物分布动力学。然而，建立一个生理学上准确的模型是十分困难的，因此限制了PK建模的广泛使用。药效动力学（Pharmacodynamics, PD）建模中药理学作用被视为药物浓度的函数，是针对药物在体内的药理作用的研究模型。单独的PK模型不能阐明时间-药效的关系，单独的PD模型也不能阐明时间-浓度的关系，因此需要结合两者建立PK-PD模型以研究药物作用靶部位的浓度-效应-时间三维关系。在PBPK-PD模型中，PD模型与PK 模型耦合，使用组合的PK-PD模型来预测或分析给定剂量药物的生理效应，综合PK-PD模型可以评估特定剂量下药物的生理结果的时间依赖性变化，应用性相对较广泛。

多器官微流控芯片的新应用

随着多器官微流控芯片在药物代谢方面应用研究的深入，也产生了各种新应用，如利用肺器官芯片研究纳米材料毒性及代谢。哈佛大学通过研究肺对荧光纳米颗粒传递至肺上皮细胞引发的一系列毒性反应，来探究应用于环境毒理学的肺芯片系统的潜在价值，为环境污染物的体内代谢模拟研究开拓了新的视野。 

与大气污染物有关的癌症病例中，细颗粒物PM2.5起至关重要的作用，PM2.5可以穿透人体肺屏障并进入血液系统引发各种疾病甚至癌症。但其在体内的代谢途径和致癌作用机理尚不明确。而目前研发的应用于药代动力学和药效学方面的多器官微流控芯片系统为该类研究提供了新的技术上的可能。为研究大气污染与疾病发生，目前研发的肺上芯片系统已经能够测试空气中的微粒和物质对单层细胞或三维细胞聚集体的毒性。基于微流控技术评估空气质量对人类健康的影响，利用器官芯片模拟健康和病态肺的功能，对空气传播的污染物暴露对呼吸系统的短期和长期影响进行无动物测试。与口服药的代谢途径不同，颗粒物在体内的代谢途径主要有两种：一是经皮肤入血，经由心入肺再进入体循环分配到肝和肾；二是经肺泡入血进入体循环分配到肝和肾。而未知浓度的真实大气颗粒物样品进入体内的分布和代谢由于难以监测，无法确定其浓度，因此缺乏相应的数学模型来进行后续的研究和预测，目前多是采用荧光标记的人造颗粒物来进行模拟。因此在肺芯片相关毒性研究的基础上，设计合理的真实反应颗粒物体内代谢的多器官微流控芯片系统，建立完整的模拟颗粒物代谢的体外平台、精准确定颗粒物代谢途径、制定精确的代谢模型并进一步揭示颗粒物的致癌机理是亟待进一步深入研究的重要科学问题。

此外，微芯片制造通过微电子机械系统（Microelectromechanical systems, MSMS）与芯片实验室和器官微流控芯片系统相结合，MEMS允许将几种微小或纳米微传感器、致动器、加速度计、热控制器、微流体推进器、微波设备、卫星通信等的各种组件最小化，可用于卫星等航天技术，也可用于监测沙尘暴或火山活动等产生的污染源。