揭秘生命：类器官和器官芯片技术

类器官（Organoids）指利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维（3D）培养而形成的具有一定空间结构的组织类似物。尽管类器官并不是真正意义上的人体器官，但能在结构和功能上模拟真实器官，能够最大程度地模拟体内组织结构及功能并能够长期稳定传代培养。

类器官的特性具体包含多种细胞类型、一定的空间组织方式以及与在体发育类似^[1]，研究人员可以通过类器官来模拟人类发育和疾病。来源于人类干细胞或成年细胞产生的诱导性多能干细胞生长而来的类器官，它们的成分和结构也与原发组织相似，并且易于操作和冷冻保存。利用活检技术就可以培养与病人具有遗传相似性的类器官模型，同时意味着可以利用源自患者干细胞的类器官系统来进行个性化药物功效测试，为患者提供更加精准的治疗方法。

类器官技术改进成的芯片类器官，通过对正常和疾病状态下的不同器官进行建模后的药物测试，渐渐被广泛使用^[2]。科研工作者可以使用器官芯片模拟体内状态的体外实验，分析药物对细胞/组织的影响，从而有可能解决动物实验周期长、成本高、与人体细胞同源性差等问题。目前，器官芯片逐渐成为疾病机制研究和新药开发的新工具之一。

类器官技术在个性化医疗中的应用

类器官是在细胞和分子水平上对人体组织和器官进行建模的强大工具，可用于药物发现、开发和测试，这种可预测的模型可以捕捉到一个人疾病的特定特征和个体对药物的反应（包括副作用），有助于设计个性化的治疗策略，也可以筛选多种活性药物和小分子化合物以靶向候选的信号通路等，类器官还可以为再生和移植提供广泛的组织来源^[3]。

图1. 类器官技术在个性化医疗中的潜在治疗和诊断用途^[3]

人体芯片与多器官芯片系统在个性化药物治疗中的应用

器官芯片技术具有相对更高的可重复性和更复杂的结构，能够改善来源于单个类器官的局限性，以及需要多种类器官相互作用条件下的整体性研究。例如基因组编辑技术目前可用于创建个体病变组织芯片，或将干细胞技术整合到器官芯片系统中，在诱导特定细胞分化后将患者的细胞植入人体芯片中，以开发个性化模型来评估特定个体疾病的药物疗效、副作用或毒性。未来多器官芯片实验平台，将有助于探索个体特异性的药代动力学过程和生物标志物，进一步开发有针对性的个体化药物治疗方案，降低药物不良反应的发生^[4]。

图2. 人体芯片与多器官芯片系统^[4]

展望未来

目前类器官和器官芯片技术逐渐在器官发育、精准医疗、再生医学、药物筛选、基因编辑、疾病建模等领域有着广泛的应用前景，有望为医学研究和药物开发带来革命性的变革，为人类健康和医疗领域带来巨大潜力。

在丹纳赫，我们汇集科学、技术和运营的能力，让未来科技对今日生活的影响得以加速实现。丹纳赫生命科学可提供类器官研究的丰富解决方案，多种先进和创新设备助力类器官和类器官芯片的研究和开发。

自动化工作站Biomek i7联合开发实现器官芯片检测的自动化工作流

丹纳赫生命科学旗下贝克曼库尔特生命科学自动化团队为解决与3D细胞培养相关的挑战，联合MIMETAS和美谷分子仪器开发了器官芯片检测的自动化方法。贝克曼库尔特生命科学的Biomek i7自动化工作站用于转移细胞外基质胶和接种内皮细胞，配备震荡功能的自动化兼容培养箱可实现微流体通道的连续灌注，并可以在自动化软件中编写设置培养基更换程序。对于类器官培养终点的测定读数，可使用丹纳赫生命科学旗下美谷分子仪器的高内涵成像分析系统对3D血管生成芽进行定量。

►倾斜模块帮助换液，震荡模块进行震荡混匀，温控模块实现试剂以及反应的温度控制；

►在线摄像头随时监控实验进程，在线培养箱可以进行在线培养并定时换液；

►整合离心机后实现自动离心，可匹配后续核酸提取和二代测序DNA/RNA建库流程。

贝克曼库尔特生命科学的Biomek i7自动化工作站

ImageXpress Confocal HT.ai智能化共聚焦高内涵成像分析系统帮助发现重大突破

丹纳赫生命科学旗下美谷分子仪器的ImageXpress Confocal HT.ai智能化共聚焦高内涵成像分析系统在类器官研究、肿瘤学、免疫学、脑科学、药物开发等多个生物医学领域均有广泛的应用。其为类器官和细胞培养等生物样本提供高通量成像：此系统配备了7色高强度激光光源和8个成像通道，提供了高扩展性和多通道成像分析能力。它采用先进的水镜系统以提高图像分辨率并减少像差，特别适合深入观察厚样品。此外，系统集成MetaXpress^®软件和IN Carta^™软件，两个软件均结合机器学习的分析功能和直观的用户界面，简化高级表型分类和3D图像分析工作流程。

美谷分子仪器的ImageXpress Confocal HT.ai智能化

共聚焦高内涵成像分析系统

Aivia AI图像分析软件实现自动化和高精度的智能图像处理

丹纳赫生命科学旗下徕卡显微系统使用先进的AI工具为数据量身打造增强、分割和预测工具，实时展示数万亿个体素和数千个对象，助力精确探索细胞和组织结构。使用智能追踪工具可进行快速神经元重建，并可定制专属图像分析工作流程，以实现高效批量图像分析。

►提供多种机器学习、深度学习工具以及训练模型，解放手工操作；

►构建二维至五维图像可视化、分析与数据诠释的完整平台；

►可靠地处理和重建高度复杂的图像，批量完成自动分析处理；

►空间分析功能，利用聚类、热图、降维工具等揭示细胞间的隐藏关联。

徕卡显微系统的Aivia AI图像分析软件

参考文献

1. Claudia Corro, Laura Novellasdemunt, Vivian S.W.Li. A brief history of organoids. Am J Physiol Cell Physiol. 2020, 319: C151.

2. Duzagac F, Saorin G, Memeo L, etal. Microfluidic Organoids-on-a-Chip: Quantum Leap in Cancer Research. Cancers. 2021, 13: 737.

3. Fatehullah, A., Tan, S., Barker, N. Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nat Cell Biol 2016, 18: 246.

4. Tian T, Liu J, Zhu H. Organ Chips and Visualization of Biological Systems. Adv Exp Med Biol. 2023, 1199: 155.

以上文章转载自丹纳赫公众号