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Organoids-on-a-chip. ​

文献信息 ​

DOI10.1126/science.aaw7894
PMID31171693
期刊Science (New York, N.Y.)
影响因子45.8
JCR 分区Q1
发表年份2019
被引次数361
关键词类器官, 芯片技术, 生物医学, 微环境, 工程方法
文献类型Journal Article
ISSN0036-8075
页码960-965
期号364(6444)
作者Sunghee Estelle Park, Andrei Georgescu, Dongeun Huh

一句话小结 ​

本综述探讨了类器官技术在生物医学研究中的应用，强调了器官芯片技术在生产和分析类器官及其微环境中的重要性。研究指出，这一技术不仅能解决类器官研究中的主要技术挑战，还为未来的研究和应用提供了新的机遇与发展方向。

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类器官 · 芯片技术 · 生物医学 · 微环境 · 工程方法

摘要 ​

最近的研究展示了一系列来源于干细胞的自组织微型器官，称为类器官，它们复制了其体内对应物的关键结构和功能特征。随着类器官技术为生物医学研究开辟新的前沿，生产、控制和分析类器官及其微环境的创新工程方法的需求日益迫切。在本综述中，我们探讨了器官芯片技术作为满足这一需求的平台，并研究了如何利用这一技术来解决类器官研究中的主要技术挑战。我们还讨论了类器官芯片技术开发和应用中的新机遇及未来障碍。

英文摘要 ​

Recent studies have demonstrated an array of stem cell-derived, self-organizing miniature organs, termed organoids, that replicate the key structural and functional characteristics of their in vivo counterparts. As organoid technology opens up new frontiers of research in biomedicine, there is an emerging need for innovative engineering approaches for the production, control, and analysis of organoids and their microenvironment. In this Review, we explore organ-on-a-chip technology as a platform to fulfill this need and examine how this technology may be leveraged to address major technical challenges in organoid research. We also discuss emerging opportunities and future obstacles for the development and application of organoid-on-a-chip technology.

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主要研究问题 ​

  1. 如何优化器官芯片技术以提高类器官的生长和功能？
  2. 在类器官与微环境的相互作用中，哪些因素对其发展最为关键？
  3. 未来的类器官芯片技术可能会如何改变药物筛选和疾病模型的研究？
  4. 有哪些新兴的工程方法可以改善类器官的生产和分析？
  5. 在应用类器官芯片技术时，面临的主要技术挑战有哪些，如何克服这些挑战？

核心洞察 ​

研究背景和目的 ​

近年来，干细胞衍生的类器官（organoids）技术取得了显著进展，能够在体外重现人类器官的关键结构和功能特征。然而，传统的类器官培养方法存在环境控制不足和再现复杂器官微环境的挑战。本文探讨了“类器官-芯片”（organoids-on-a-chip）技术作为解决这些问题的平台，旨在提升类器官研究的技术水平。

主要方法/材料/实验设计 ​

本研究采用了类器官-芯片技术，通过微流控设备来模拟和控制类器官的微环境。其技术路线可用以下流程图表示：

Mermaid diagram
  1. 类器官的培养：使用干细胞在三维环境中培养类器官。
  2. 微流控芯片设计：构建微流控设备以模拟器官的生理特性。
  3. 环境控制与营养供给：通过微流控系统控制生化梯度和营养供给，确保类器官的生长和发育。
  4. 组织间相互作用建模：在芯片上实现不同组织的共培养，模拟组织间的相互作用。
  5. 生物传感器集成：集成传感器以实时监测类器官的功能状态。
  6. 个性化医疗与药物发现：应用类器官-芯片技术于个性化疾病模型和药物筛选。

关键结果和发现 ​

  1. 微环境控制：微流控系统能够精确控制类器官的生化环境和营养供给，显著提高了类器官的成熟度和功能性。
  2. 组织间相互作用：通过多器官模型，成功模拟了肝脏和肠道之间的相互作用，揭示了生理信号的传递机制。
  3. 减少变异性：采用自动化和高通量技术减少了类器官培养过程中的变异性，提高了实验的重复性和可靠性。

主要结论/意义/创新性 ​

类器官-芯片技术结合了类器官和微流控技术的优势，为生物医学研究提供了一个高效、可控的平台。这一技术不仅有助于提高类器官的生理相关性，还有助于个性化医疗和药物开发，具有广泛的应用前景。

研究局限性和未来方向 ​

尽管类器官-芯片技术展现了巨大潜力，但仍面临一些挑战，包括：

  • 动态变化的再现：目前的模型在再现器官发育过程中的动态变化方面仍有限。
  • 材料选择：常用的基质材料（如Matrigel）存在批次间差异，影响可重复性。
  • 多器官模型的复杂性：建立功能完善的多器官模型仍需进一步研究。

未来的研究方向应集中在优化材料选择、提升模型的动态响应能力以及加强多器官系统的功能集成，以推动类器官-芯片技术在生物医学领域的应用。

参考文献 ​

  1. Multisensor-integrated organs-on-chips platform for automated and continual in situ monitoring of organoid behaviors. - Yu Shrike Zhang;Julio Aleman;Su Ryon Shin;Tugba Kilic;Duckjin Kim;Seyed Ali Mousavi Shaegh;Solange Massa;Reza Riahi;Sukyoung Chae;Ning Hu;Huseyin Avci;Weijia Zhang;Antonia Silvestri;Amir Sanati Nezhad;Ahmad Manbohi;Fabio De Ferrari;Alessandro Polini;Giovanni Calzone;Noor Shaikh;Parissa Alerasool;Erica Budina;Jian Kang;Nupura Bhise;João Ribas;Adel Pourmand;Aleksander Skardal;Thomas Shupe;Colin E Bishop;Mehmet Remzi Dokmeci;Anthony Atala;Ali Khademhosseini - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (2017)
  2. Clarifying intact 3D tissues on a microfluidic chip for high-throughput structural analysis. - Yih Yang Chen;Pamuditha N Silva;Abdullah Muhammad Syed;Shrey Sindhwani;Jonathan V Rocheleau;Warren C W Chan - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (2016)
  3. Microfluidic platforms for mechanobiology. - William J Polacheck;Ran Li;Sebastien G M Uzel;Roger D Kamm - Lab on a chip (2013)
  4. Advancing Intestinal Organoid Technology Toward Regenerative Medicine. - Tetsuya Nakamura;Toshiro Sato - Cellular and molecular gastroenterology and hepatology (2018)
  5. Human stomach-on-a-chip with luminal flow and peristaltic-like motility. - Kang Kug Lee;Heather A McCauley;Taylor R Broda;Matthew J Kofron;James M Wells;Christian I Hong - Lab on a chip (2018)
  6. Organs-on-a-chip: a new tool for drug discovery. - Alessandro Polini;Ljupcho Prodanov;Nupura S Bhise;Vijayan Manoharan;Mehmet R Dokmeci;Ali Khademhosseini - Expert opinion on drug discovery (2014)
  7. Physiologically relevant organs on chips. - Kyungsuk Yum;Soon Gweon Hong;Kevin E Healy;Luke P Lee - Biotechnology journal (2014)
  8. Next generation organoids for biomedical research and applications. - Yan-Ru Lou;Alan W Leung - Biotechnology advances (2018)
  9. Progress and potential in organoid research. - Giuliana Rossi;Andrea Manfrin;Matthias P Lutolf - Nature reviews. Genetics (2018)
  10. Guided self-organization and cortical plate formation in human brain organoids. - Madeline A Lancaster;Nina S Corsini;Simone Wolfinger;E Hilary Gustafson;Alex W Phillips;Thomas R Burkard;Tomoki Otani;Frederick J Livesey;Juergen A Knoblich - Nature biotechnology (2017)

引用本文的文献 ​

  1. Organoids by design. - Takanori Takebe;James M Wells - Science (New York, N.Y.) (2019)
  2. Mechanobiology of cells and cell systems, such as organoids. - Ece Bayir;Aylin Sendemir;Yannis F Missirlis - Biophysical reviews (2019)
  3. Past, Present, and Future of Brain Organoid Technology. - Bonsang Koo;Baekgyu Choi;Hoewon Park;Ki-Jun Yoon - Molecules and cells (2019)
  4. Mimicry of Central-Peripheral Immunity in Alzheimer's Disease and Discovery of Neurodegenerative Roles in Neutrophil. - Joseph Park;Sung Hoon Baik;Inhee Mook-Jung;Daniel Irimia;Hansang Cho - Frontiers in immunology (2019)
  5. Insight into Mechanobiology: How Stem Cells Feel Mechanical Forces and Orchestrate Biological Functions. - Chiara Argentati;Francesco Morena;Ilaria Tortorella;Martina Bazzucchi;Serena Porcellati;Carla Emiliani;Sabata Martino - International journal of molecular sciences (2019)
  6. Organs-on-Chips in Clinical Pharmacology: Putting the Patient Into the Center of Treatment Selection and Drug Development. - Richard W Peck;Christopher D Hinojosa;Geraldine A Hamilton - Clinical pharmacology and therapeutics (2020)
  7. Organoids - New Models for Host-Helminth Interactions. - María A Duque-Correa;Rick M Maizels;Richard K Grencis;Matthew Berriman - Trends in parasitology (2020)
  8. Recent Updates on Research Models and Tools to Study Virus-Host Interactions at the Placenta. - Jae Kyung Lee;Soo-Jin Oh;Hosun Park;Ok Sarah Shin - Viruses (2019)
  9. Emerging organoid models: leaping forward in cancer research. - Han Fan;Utkan Demirci;Pu Chen - Journal of hematology & oncology (2019)
  10. Harnessing the Potential of Stem Cells for Disease Modeling: Progress and Promises. - Chiara Argentati;Ilaria Tortorella;Martina Bazzucchi;Francesco Morena;Sabata Martino - Journal of personalized medicine (2020)

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