空間生物醫(yī)學(xué)研究中的人體器官芯片研究進(jìn)展

王小雪，李 飛?

(1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院航天神舟生物科技集團(tuán)有限公司， 北京100080； 2. 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司空間生物工程研究中心， 北京100080； 3. 北京市空間生物工程技術(shù)研究中心， 北京100080)

1 引言

長(zhǎng)期空間環(huán)境暴露可顯著增加航天員的健康風(fēng)險(xiǎn)。 航天員在空間微重力和封閉環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)多生理系統(tǒng)的加速老化癥狀。 導(dǎo)致這些癥狀的原因是重力缺乏、輻射過量等多種復(fù)雜空間環(huán)境因素。 這些因素對(duì)航天員健康影響是多方面的，包括但不限于：運(yùn)動(dòng)功能影響，如下肢肌肉萎縮，創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎幾率增加等現(xiàn)象；心血管健康危害，如心臟功能減低、血腦屏障完整性被破壞等；免疫功能損傷，增加肺部感染幾率，增加航天員結(jié)腸炎易感性等。 因此深入研究航天員在軌生理病理功能變化，完善預(yù)防和治療方案，是保障航天員健康的重要手段。 但是，空間實(shí)驗(yàn)條件存在局限性，對(duì)航天員自身進(jìn)行在軌多器官水平的研究非常困難，而地面研究又缺乏空間環(huán)境的特殊性。 因此，目前關(guān)于空間環(huán)境對(duì)健康影響的機(jī)制研究多采用細(xì)胞和動(dòng)物模型。 但細(xì)胞模型從功能、結(jié)構(gòu)上缺乏人體器官的復(fù)雜性，不能真實(shí)模擬組織環(huán)境；而動(dòng)物模型由于種屬差異，缺乏人體內(nèi)某些關(guān)鍵的酶或分子通路，可能影響空間醫(yī)藥實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

器官芯片(Organ-on-chips)是一種基于微流控技術(shù)模擬人體器官的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)、微生理功能的仿生系統(tǒng)，也叫組織芯片(Tissue Chips)或微生理系統(tǒng)(Microphysiological Systems)。 開發(fā)器官芯片的初衷是在體外構(gòu)建接近生理功能的器官組織結(jié)構(gòu)，用于為藥物臨床前功效和毒性研究提供合理有效的替代方法。 器官芯片相對(duì)于細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的研究具有諸多優(yōu)勢(shì)：①器官芯片的出現(xiàn)突破了體外細(xì)胞模型的孤立性和單一性；可以高度模擬在體器官功能，還可以實(shí)現(xiàn)器官內(nèi)細(xì)胞間的相互作用；微流控控制的灌流系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)控制細(xì)胞的系統(tǒng)環(huán)境。 這些優(yōu)勢(shì)都是體外靜態(tài)培養(yǎng)細(xì)胞模型遠(yuǎn)不具備的。 ②器官芯片改善了動(dòng)物模型低通量的缺點(diǎn)，現(xiàn)有的器官芯片可以實(shí)現(xiàn)高通量、高重復(fù)性的活細(xì)胞微工程系統(tǒng)，同時(shí)可以在線檢測(cè)數(shù)百個(gè)平行的微器官功能和反應(yīng)。 ③器官芯片可以高度模擬不同器官微環(huán)境的復(fù)雜性，研究者可將多種器官芯片聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)“人體芯片”(Human-on-chip)的功能。 目前已報(bào)道的器官芯片包括骨骼、皮膚、軟骨、腎臟、大腦、心臟、骨骼肌和腸道等。

器官芯片由于其可靠性，高通量和體內(nèi)相似性的特點(diǎn)，非常符合航天器在軌開展生物研究的需求。 美國(guó)已實(shí)施了“空間芯片”(Tissue Chips in Space)計(jì)劃，涉及多種器官芯片的在軌研究。 我國(guó)的器官芯片開發(fā)也走在世界前列，目前已開發(fā)出適合空間站使用的器官芯片。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外空間站使用器官芯片的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2 美國(guó)空間芯片計(jì)劃

2016 年，美國(guó)國(guó)家轉(zhuǎn)化科學(xué)促進(jìn)中心(National Center for the Advancement of Translational Science，NCATS)與國(guó)際空間站美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ISS National Lab)共同發(fā)布了總投資1100 萬(wàn)美元的太空芯片計(jì)劃，提出在2017 年～2018 年篩選多種器官芯片，探索可在國(guó)際空間站開展的器官芯片技術(shù)應(yīng)用研究，并在軌測(cè)試潛在的治療方法和新藥。

太空芯片計(jì)劃的實(shí)施分為2 個(gè)階段：第1 階段(第1 年)，研究人員將在地面實(shí)驗(yàn)室開發(fā)器官芯片系統(tǒng)，然后NASA 將提供一次在軌1 個(gè)月的空間站飛行實(shí)驗(yàn)，對(duì)芯片系統(tǒng)進(jìn)行在軌驗(yàn)證；第2階段(第2 年～第3 年)，NASA 再次提供在軌實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，將首次任務(wù)中開發(fā)的疾病模型芯片應(yīng)用到新藥物和新治療方法的測(cè)試中；第3 階段(第4年)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和文獻(xiàn)發(fā)表，具體流程見圖1。項(xiàng)目運(yùn)作模式是科研單位，如大學(xué)和研發(fā)型公司負(fù)責(zé)芯片的開發(fā)；與空間站對(duì)接供應(yīng)商如Space Tango、BioServe 等公司合作，使芯片項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和輕量小型化。

圖1 空間芯片項(xiàng)目開展流程Fig.1 Tissue Chips in Space project timelines

2017 年～2018 年，NCATS 公布了9 個(gè)芯片項(xiàng)目入選太空芯片計(jì)劃。 2018 年12 月，免疫系統(tǒng)芯片作為首個(gè)器官芯片入軌實(shí)驗(yàn)。 2019 年5月，4 個(gè)器官芯片登上國(guó)際空間站。 2020 年3 月和12 月，分別有42 個(gè)器官芯片進(jìn)入國(guó)際空間站開展研究(表1)。

2.1 免疫系統(tǒng)芯片

微重力環(huán)境可以加速航天員的免疫老化效應(yīng)，與地面人體免疫系統(tǒng)老化效應(yīng)類似。 這種免疫老化的特征之一是體內(nèi)CD8+記憶T 細(xì)胞TEMRA 亞群的比例顯著增加，這些細(xì)胞的積累可能會(huì)增加常見的全身炎癥反應(yīng)，引起免疫老化效應(yīng)。 為了研究微重力環(huán)境對(duì)航天員免疫老化效應(yīng)，Schrepfer 等采用免疫系統(tǒng)芯片模擬微重力下的免疫系統(tǒng)應(yīng)答。 該項(xiàng)目研發(fā)的免疫系統(tǒng)芯片采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)制成，其核心結(jié)構(gòu)為3 條平行并緊密相鄰的微流控通道，每個(gè)通道具有獨(dú)立的灌注緩沖池，通道之間由半透膜或者基質(zhì)膠分隔。 將CD8+T淋巴細(xì)胞，間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞和血管內(nèi)皮祖細(xì)胞在各自通道內(nèi)培養(yǎng)，形成具有分子信息交換條件的“半三維”結(jié)構(gòu)。

表1 空間芯片計(jì)劃入選器官芯片信息Table 1 Tissue Chips in Space Project details

項(xiàng)目第1 階段是在正常重力和模擬微重力條件下，開展對(duì)CD8+T 細(xì)胞與干細(xì)胞共培養(yǎng)的研究；第2 階段在軌評(píng)價(jià)CD8+T 細(xì)胞分化為TEMRA(CD8+ effector memory RA)細(xì)胞的能力，研究微重力下衰老的免疫細(xì)胞對(duì)干細(xì)胞功能的影響。 該芯片已于2018 年12 月通過SpaceX 公司的發(fā)射任務(wù)送往國(guó)際空間站。

2.2 腎臟芯片

航天員長(zhǎng)期在軌生活可以引起腎近端小管活化維生素D 的能力下降，進(jìn)而引起骨骼脫鈣和腎臟脫水等健康問題，甚至導(dǎo)致蛋白尿、腎結(jié)石等急性癥狀，且癥狀進(jìn)展較地面環(huán)境更加迅速。

為了研究空間環(huán)境對(duì)腎臟近端和遠(yuǎn)端小管上皮極化結(jié)構(gòu)(如離子和溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)的影響，Himmelfarb構(gòu)建了基于人近端腎小管上皮細(xì)胞(Proximal tubular epithelial cell， PTEC)的腎臟芯片系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)研究了長(zhǎng)期微重力暴露對(duì)腎近端小管內(nèi)的維生素D 生物活化能力的影響。該項(xiàng)目研發(fā)的腎臟芯片由2 片PDMS 模塊疊合澆鑄而成，整體模塊的頂部和底部分別與玻璃和聚碳酸酯粘合。 2 片PDMS 模塊中間組裝硅酮隔膜和微纖維形成微流控通道，通道表面經(jīng)等離子體處理并預(yù)敷I 型鼠尾膠原蛋白，形成灌注通道結(jié)構(gòu)。 通道尺寸與人體近端小管尺寸接近。

構(gòu)建腎臟器官芯片的方法是接種人PTEC 細(xì)胞至通道內(nèi)，細(xì)胞生長(zhǎng)可自組裝形成三維管狀結(jié)構(gòu)。 通道內(nèi)的三維管狀細(xì)胞之間形成基底外側(cè)交叉結(jié)構(gòu)，具有體內(nèi)腎小管上皮極化結(jié)構(gòu)的特征，并且表達(dá)腎臟轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵蛋白，具有與體內(nèi)相似的有機(jī)溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力。 芯片中的近端小管部位具有將25-OH 維生素D代謝成生物活性物的能力，可以模擬與體內(nèi)相似的維生素D 代謝途徑，用于航天員骨骼脫鈣和腎臟功能的相關(guān)研究。

該項(xiàng)目開發(fā)重點(diǎn)是在軌小型化研究。 項(xiàng)目第1 階段搭載的24 個(gè)芯片系統(tǒng)與配套的管路、泵等結(jié)構(gòu)原體積為1350 L。 為了滿足飛船有限的搭載資源，工程人員重新設(shè)計(jì)了管路，將后續(xù)的發(fā)射裝載體積壓縮至45 L。

2.3 肺部感染芯片

長(zhǎng)期微重力暴露和封閉空間站內(nèi)的多種微生物菌群會(huì)擾亂航天員的免疫系統(tǒng)，使其在軌受感染機(jī)會(huì)增加。 而其中的銅綠假單胞菌，會(huì)顯著增加免疫受損的航天員肺部感染幾率。 現(xiàn)有的動(dòng)物和細(xì)胞模型很難模擬感染后肺部毛細(xì)支氣管中多種細(xì)胞之間復(fù)雜的相互作用，以及感染后多器官交互的整體免疫反應(yīng)。 為了研究航天員肺部感染后的免疫反應(yīng)機(jī)制，Huh 等分別建立了氣道芯片和骨髓組織芯片，并采用2 種芯片聯(lián)用的方法模擬微重力下肺組織感染，并研究肺感染銅綠假單胞菌時(shí)骨髓中的中性粒細(xì)胞動(dòng)員機(jī)制。 該項(xiàng)目開發(fā)的氣道芯片和骨髓芯片均是雙層夾膜結(jié)構(gòu)(圖2)，剖面結(jié)構(gòu)類似“日”字形，包括頂部和底部的微通道，中間層為多孔的PDMS 膜，膜上下兩面涂有I 型膠原，便于細(xì)胞粘附生長(zhǎng)。多孔膜上下通道內(nèi)可以灌流培養(yǎng)基和空氣。

圖2 氣道芯片剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of a cross-section through the small airway-on-a-chip

氣道芯片的實(shí)現(xiàn)方法是接種原代人氣道上皮細(xì)胞于多孔膜上表面，在上下兩層微通道中灌流培養(yǎng)基，并在上層通道內(nèi)引入空氣以促進(jìn)氣道上皮細(xì)胞分化。 在多孔膜的下表面植入原代人肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞，直至上下表面組織融合形成完整界面，這樣的分層結(jié)構(gòu)可以模擬氣道的屏障功能和纖毛活動(dòng)頻率。 骨髓芯片的構(gòu)建是在多孔膜上表面接種骨髓基質(zhì)干細(xì)胞(Bone marrow stromal cells， BMSC)和原代人CD34+細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)，分化形成由多種造血細(xì)胞(中性粒細(xì)胞和紅系譜系)組成的致密微環(huán)境，類似于在體骨髓結(jié)構(gòu)。 多孔膜下表面和其連通的微通道腔表面上接種人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(Human umbilical vein endothelial cell， HUVECs)，用于形成血管腔結(jié)構(gòu)。該芯片具有與人類骨髓類似的造血功能，同時(shí)可以觀察到炎癥干細(xì)胞的遷徙作用。 2 個(gè)芯片可以通過通道串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多器官聯(lián)動(dòng)研究。

在項(xiàng)目第1 階段，研究人員開發(fā)與驗(yàn)證了骨髓芯片和氣道芯片；第2 階段，將采用骨髓芯片和氣道芯片聯(lián)用的方法，在軌評(píng)價(jià)肺部感染后，中性粒細(xì)胞從骨髓的動(dòng)員情況，以了解微重力環(huán)境下人體呼吸系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的影響。

2.4 血腦芯片

血腦屏障(Blood-brain Barrier，BBB)是一種由多細(xì)胞的神經(jīng)血管單位組成的一個(gè)緊密的轉(zhuǎn)運(yùn)屏障，在多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。 微重力環(huán)境可以影響血腦屏障的內(nèi)皮細(xì)胞粘附分子和緊密連接蛋白水平，進(jìn)而影響血腦屏障的完整性。了解微重力對(duì)BBB 正常功能和炎性病變的影響，將促進(jìn)與BBB 有關(guān)的神經(jīng)變性和癌癥等疾病的相關(guān)研究，并為藥物發(fā)現(xiàn)提供新的機(jī)制靶點(diǎn)。

美國(guó)器官芯片商業(yè)化公司Emulate 開發(fā)了適用于在軌環(huán)境的血腦屏障芯片，用于了解微重力對(duì)BBB 正常功能和炎性病變的影響。

在軌BBB 芯片與肺部芯片的結(jié)構(gòu)類似。 由上下2 個(gè)微流控通道構(gòu)成，中間由多孔柔性PDMS 膜分隔開。 膜的表面預(yù)鋪了IV 型膠原纖維連接蛋白用于細(xì)胞生長(zhǎng)。 研究人員首先誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞和早期神經(jīng)祖細(xì)胞，并將這些細(xì)胞與其他神經(jīng)祖細(xì)胞在芯片上層膜上進(jìn)行共培養(yǎng)。 在芯片下層通道上，培養(yǎng)星形膠質(zhì)細(xì)胞，形成中空的血管樣結(jié)構(gòu)單層。該血管結(jié)構(gòu)可表達(dá)與人血腦屏障類似的內(nèi)皮標(biāo)記物，如PECAM-1、ZO-1 等以及膜轉(zhuǎn)運(yùn)標(biāo)志物，如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT-1)、P-糖蛋白1(PGP1)等功能分子。 該器官芯片可以實(shí)現(xiàn)與人腦血管非常相似的跨膜電阻，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物的血腦通透性。

在軌BBB 芯片將在空間站上采集不同時(shí)間點(diǎn)的膜結(jié)構(gòu)圖像、生化指標(biāo)，返回后進(jìn)行細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組研究。 以期提供一種微重力下新型的體外器官研究平臺(tái)，用于研究微重力對(duì)人體血腦屏障的影響，并提供一種新型的基于微重力血腦屏障模型的藥物和治療手段研發(fā)方式。

2.5 軟骨-骨-滑膜關(guān)節(jié)芯片

在軌航天員工作強(qiáng)度大，并且缺乏運(yùn)動(dòng)，因此急性關(guān)節(jié)損傷幾率很高，易發(fā)展為創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎。 這種骨關(guān)節(jié)炎可導(dǎo)致軟骨細(xì)胞死亡、組織降解、囊腫形成等癥狀。 為了研究空間環(huán)境下創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)制和療法， Grodzinsky 開發(fā)了機(jī)械損傷的人體軟骨-骨骼-滑膜組織共培養(yǎng)芯片，在太空和地面建立急性關(guān)節(jié)損傷疾病模型。

軟骨共培養(yǎng)芯片采用柔性PDMS 基質(zhì)和聚乙二醇(Polyethylene Glycol， PEG)水性基質(zhì)膠的細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)合，形成模擬人源的軟骨-骨骼-滑膜組織創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的芯片系統(tǒng)，用于研究急性損傷后培養(yǎng)基中炎性因子的水平和候選藥物在急性關(guān)節(jié)損傷后降低細(xì)胞死亡，改善組織降解過程的作用。

前期地面驗(yàn)證研究顯示：機(jī)械性損傷和滑膜組織炎性細(xì)胞因子水平升高兩種因素共同導(dǎo)致了軟骨和軟骨下骨組織中大量的細(xì)胞死亡，培養(yǎng)基中炎性因子IL-6、IL-8、TNF-a 和胺基聚糖水平升高，伴隨軟骨降解。 給與地塞米松后，顯著降低了細(xì)胞死亡水平和胺基聚糖釋放水平。

該系統(tǒng)計(jì)劃進(jìn)入國(guó)際空間站進(jìn)行在軌微重力環(huán)境下軟骨退化方面的研究，并將在可變重力平臺(tái)上進(jìn)行創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎和骨丟失引起的肌肉骨骼疾病的相關(guān)病理學(xué)研究。

2.6 腸道芯片

腸道菌群是維系消化系統(tǒng)正常生理功能的重要微生物群，空間環(huán)境會(huì)破壞腸道菌群穩(wěn)態(tài)并增加結(jié)腸炎幾率。 為了更好的了解空間環(huán)境對(duì)腸道菌及免疫系統(tǒng)的影響，研究人員研制了腸道細(xì)胞-免疫細(xì)胞-微生物的共培養(yǎng)芯片，在空間環(huán)境下研究腸道對(duì)益生菌和致病菌-沙門氏菌的免疫反應(yīng)。 該腸道芯片采用了器官芯片開發(fā)公司Emulate 開發(fā)的成熟商業(yè)芯片。

腸道芯片由PDMS 制成(圖3)，橫截面結(jié)構(gòu)分為左、中、右3 部分：中間室由柔性多孔PDMS膜分為上下2 層，預(yù)鋪細(xì)胞外基質(zhì)(Extracellular matrix， ECM)涂層，用于細(xì)胞培養(yǎng)。 中間室的左右兩側(cè)緊貼可機(jī)械形變的真空室。 將人結(jié)直腸癌(Caco-2)腸上皮細(xì)胞培養(yǎng)于PDMS 柔性多孔膜的上表面，在柔性膜下層通道內(nèi)加載培養(yǎng)基持續(xù)灌注，真空室同時(shí)壓縮中間室產(chǎn)生循環(huán)機(jī)械變形，用以促進(jìn)細(xì)胞形成腸道絨毛結(jié)構(gòu)。 這些絨毛結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)靜態(tài)單層培養(yǎng)的細(xì)胞相比，更接近腸道生理結(jié)構(gòu)功能，并可使細(xì)胞和益生菌腸道微生物長(zhǎng)期共培養(yǎng)(2 周以上)。 研究人員將腸道免疫細(xì)胞(如人外周血單個(gè)核細(xì)胞)、腸感覺神經(jīng)元、致病菌引入腸道芯片中，建立類似于人體腸道感染的體外疾病模型。

在軌實(shí)驗(yàn)的腸道芯片系統(tǒng)將配備實(shí)時(shí)熒光成像系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)觀察微重力下腸道結(jié)構(gòu)受到感染后的屏障結(jié)構(gòu)變化。 該芯片將用于研究空間獨(dú)特環(huán)境下腸道的細(xì)胞、分子和免疫反應(yīng)的影響。

圖3 腸道芯片剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of a cross-section through the gut-on-a-chip

2.7 肌肉芯片

空間失重環(huán)境會(huì)引起航天員肌肉，特別是下肢肌肉萎縮。 為保證肌肉力量，航天員會(huì)耗費(fèi)大量精力和時(shí)間進(jìn)行抗阻訓(xùn)練，以防止肌肉質(zhì)量下降。 早期模擬微重力研究證明，微重力會(huì)引起肌肉細(xì)胞發(fā)育基因Pax7 的表達(dá)水平顯著下降，從而引起肌肉中肌管數(shù)量減少，降低肌肉的質(zhì)量。 這些現(xiàn)象與衰老引起的肌少癥癥狀類似。因此，空間環(huán)境的肌肉芯片研究，可更好地模擬微重力環(huán)境下肌肉衰老生理變化。

為空間站芯片計(jì)劃開發(fā)的肌肉芯片采用凝膠基質(zhì)構(gòu)建立體培養(yǎng)的肌肉纖維結(jié)構(gòu)。 研究人員從年輕的健康人和年老久坐志愿者體內(nèi)分離原代人類肌細(xì)胞，與膠原/基質(zhì)凝膠混合物共培養(yǎng)形成3D 肌肉纖維束。 肌節(jié)α-肌動(dòng)蛋白和F-肌動(dòng)蛋白的表達(dá)結(jié)果顯示，芯片上培養(yǎng)的骨骼肌組織出現(xiàn)了規(guī)則的肌節(jié)結(jié)構(gòu)和成熟的肌管分化。 將該芯片連接電極刺激肌肉細(xì)胞，可通過肌柱位移來(lái)估計(jì)電刺激引起的肌肉收縮力，評(píng)價(jià)肌肉功能。

通過肌肉芯片和在軌顯微實(shí)時(shí)影像技術(shù)聯(lián)用，可在軌采集肌肉收縮圖像信息，檢測(cè)肌肉收縮力。 研究人員計(jì)劃研究不同人群的肌肉組織在微重力下的收縮能力和肌肉強(qiáng)度變化，同時(shí)在軌測(cè)試抗肌萎縮藥物的藥效與毒性，以開發(fā)抗肌少癥的新療法及藥物。

2.8 心臟芯片

早期在軌航天員人體實(shí)驗(yàn)和2016 年NASA開展的空間站雙胞胎實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，6 個(gè)月以上的空間站生活會(huì)造成心率降低、動(dòng)脈壓降低和心輸出量增加，這些結(jié)果促使科學(xué)家關(guān)注微重力下的心血管健康。 現(xiàn)階段有關(guān)心臟的微重力研究多采用小鼠和大鼠的心肌細(xì)胞培養(yǎng)模型，但是動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)很難模擬人類心臟的生理和結(jié)構(gòu)功能。 最新研究中，采用人源誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(Human induced Pluripotent Stem Cells，hiPSCs)來(lái)源的心肌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了可在體外大量長(zhǎng)期培養(yǎng)心肌細(xì)胞的技術(shù)突破。 基于人類干細(xì)胞來(lái)源的心臟芯片項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入在軌實(shí)施階段，用于研究微重力暴露后的心臟功能。

1)普通結(jié)構(gòu)性心臟器官芯片。 基本構(gòu)成是三維細(xì)胞外基質(zhì)(Matrigel 或3D-PEG 水凝膠)和其中誘導(dǎo)分化的心肌細(xì)胞團(tuán)塊。 三維基質(zhì)浸潤(rùn)在不同培養(yǎng)條件的培養(yǎng)基中，用于誘導(dǎo)和營(yíng)養(yǎng)心肌組織。 將人源誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞(Human-induced Pluripotent Stem Cell-derived Cardiomyocytes， hiPSC-CMs)植入三維細(xì)胞外基質(zhì)中，培養(yǎng)形成三維心臟組織塊(Engineered Heart Tissues， EHT)。 培養(yǎng)的心臟組織具有成年心肌組織的基因表達(dá)譜和超微結(jié)構(gòu)，可以大量形成與人心臟類似的肌節(jié)結(jié)構(gòu)。

普通結(jié)構(gòu)性心臟芯片項(xiàng)目第1 階段采用3 種不同人種的外周血單核細(xì)胞(Peripheral Blood Monouclear Cells， PBMCs)分化多能干-心肌細(xì)胞，并將培養(yǎng)的三維心臟組織置于微重力環(huán)境下，研究心肌減弱機(jī)制；第2 階段是在該芯片上測(cè)試常用的心血管疾病藥物(如ACE 抑制劑，β 受體阻滯劑和他汀類藥物等)對(duì)微重力下心臟組織的保護(hù)作用，并研究組織反應(yīng)中的個(gè)體差異，用于探索航天員心臟健康保障手段。

2)具有電生理功能的心臟器官芯片。 現(xiàn)有人源誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞的局限之一是分化后心肌結(jié)構(gòu)表型缺陷，不具備成人心肌的結(jié)構(gòu)和功能。 為克服這一局限，研究人員通過制備導(dǎo)電膜層和模擬心肌外基質(zhì)的波紋結(jié)構(gòu)支架來(lái)促進(jìn)心肌組織發(fā)育，使其具有各向異性。 種植在波紋導(dǎo)電膜上的人胚胎干細(xì)胞分化成心肌細(xì)胞，比不導(dǎo)電平面基質(zhì)上的細(xì)胞在各向異性排列上更有序，肌節(jié)更長(zhǎng)，連接蛋白(Cx43)表達(dá)增加。 標(biāo)志著心肌發(fā)育成熟的標(biāo)志物如成人心肌標(biāo)志物(hMYH7)和心肌肌鈣蛋白T2 (TNNT2)表達(dá)量也顯著增加。

該芯片項(xiàng)目采用仿生波紋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電支架促進(jìn)了心肌細(xì)胞的成熟和完全分化，生成成熟的三維工程心臟組織。 在軌實(shí)驗(yàn)將重點(diǎn)評(píng)估藥物和機(jī)械刺激對(duì)改善太空中心臟功能、減輕微重力誘發(fā)的心臟疾病的作用，并有助于推動(dòng)新的治療策略研發(fā)。

3 我國(guó)開展的空間器官芯片研究

我國(guó)的器官芯片研究處于世界前列水平，已報(bào)道的有肝臟芯片、胰島芯片和腦芯片等。 隨著自有空間站的建立，我國(guó)也已開展適用于空間站環(huán)境的器官芯片研究。

趙遠(yuǎn)錦等構(gòu)建了國(guó)內(nèi)第1 個(gè)適用于空間站和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的肝臟芯片。 微重力環(huán)境會(huì)引起肝臟自身應(yīng)激反應(yīng)和藥物代謝酶(如細(xì)胞色素p450)表達(dá)的變化，從而導(dǎo)致肝臟對(duì)藥物代謝和清除能力的改變，增加在軌航天員用藥毒性風(fēng)險(xiǎn)。

適用于在軌研究任務(wù)的肝臟器官芯片外觀設(shè)計(jì)為抽屜式，具備易組裝、可密封、可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。 研究人員采用手臂固定架模式構(gòu)建肝臟器官芯片，實(shí)現(xiàn)原代肝細(xì)胞和-血管內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)芯片系統(tǒng)。 構(gòu)建方法是先在自制的中空凝膠纖維外相上負(fù)載血管內(nèi)皮細(xì)胞，隨后在手臂式固定架上制備中空纖維的三維支架，最后將添加了原代肝臟細(xì)胞的海藻酸鈉滴加到三維纖維支架上，滴加氯化鈣溶液，使其快速凝膠化，形成三維血管化組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)體外肝小葉樣微環(huán)境的仿生制備。

該肝器官芯片可很好的模擬肝細(xì)胞微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了部分原代肝臟細(xì)胞功能活性和特異性基因表達(dá)。 在藥物毒性實(shí)驗(yàn)中，已驗(yàn)證了對(duì)乙酰氨基酚的肝臟毒性，有望為空間環(huán)境下的肝臟藥理學(xué)研究提供技術(shù)支持。

秦建華等采用微蝕刻方法制備微柱陣列結(jié)構(gòu)的腦器官芯片。 為了確保獲得的自組裝擬胚體形態(tài)和尺寸的一致性，優(yōu)化后的微柱直徑和高度分別為1 mm 和0.8 mm，間隙50 μm。 將人源誘導(dǎo)多能干細(xì)胞種植于微柱結(jié)構(gòu)中，并原位誘導(dǎo)分化形成腦類器官。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，腦類器官的多能標(biāo)志物OCT4 和NANOG 在分化的第10 天減少，第30 天腦類器官中生成大量神經(jīng)前體細(xì)胞，這些結(jié)果標(biāo)志著多能干細(xì)胞在腦芯片中的自組裝與早期妊娠中腦發(fā)育的過程一致。

秦建華等還開發(fā)了基于人源誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的胰島芯片。 芯片結(jié)構(gòu)包括平行的PDMS 材料的3D 培養(yǎng)室，多孔膜和可灌注的流體通道層。該芯片可以持續(xù)培養(yǎng)胰島類器官60 天。 實(shí)驗(yàn)證明：灌注系統(tǒng)下的形成胰島類器官與靜態(tài)培養(yǎng)的胰島類器官相比，具有較高的胰腺β 細(xì)胞基因表達(dá)水平，并在葡萄糖刺激下胰島素分泌水平更高。現(xiàn)有器官芯片比較見表2。

4 小結(jié)與展望

長(zhǎng)期微重力已被證明會(huì)加速多種疾病發(fā)展和器官老化，高效的在軌生命科學(xué)研究，有助于保障航天員的健康。 獨(dú)特的微重力環(huán)境，也拓寬了生命科學(xué)研究的界限。 器官芯片是一種非常適合應(yīng)用于空間站條件的生物研究技術(shù)平臺(tái)，可在體外模擬人體器官結(jié)構(gòu)和功能，填補(bǔ)2D 培養(yǎng)系統(tǒng)或動(dòng)物模型中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的整體器官功能，同時(shí)具有集約化，高通量的特點(diǎn)，很好地平衡了研究效率與研究消耗。 作為一種先進(jìn)技術(shù)，空間站開展器官芯片研究極具挑戰(zhàn)，在NCATS 資助的芯片項(xiàng)目中，研究團(tuán)隊(duì)大多與空間服務(wù)供應(yīng)商合作，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合NASA 的飛行安全規(guī)范，同時(shí)解決設(shè)備的小型化、自動(dòng)化、密封性和與空間站接口對(duì)接的系列問題。 因此，器官芯片平臺(tái)的開發(fā)是一個(gè)包含設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、整合、應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)的生物研究計(jì)劃。

表2 現(xiàn)有器官芯片模擬功能、方法與結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀與難點(diǎn)比較Table 2 Comparison of functions， structures and technical difficulties ampong current organ-on-chips

隨著空間站和深空探測(cè)的發(fā)展，對(duì)在軌航天員健康保障和在軌疾病治療的需求越來(lái)越緊迫。伴隨醫(yī)學(xué)生物技術(shù)的進(jìn)步，將會(huì)產(chǎn)生更多交叉學(xué)科熱點(diǎn)。 首先，人工智能技術(shù)的快速發(fā)展帶來(lái)醫(yī)學(xué)檢測(cè)，特別是影像學(xué)檢測(cè)的技術(shù)革新，在空間站的全自動(dòng)無(wú)人值守實(shí)驗(yàn)室中，人工智能醫(yī)學(xué)影像技術(shù)將極大的促進(jìn)檢測(cè)結(jié)果識(shí)別判定，減少主觀因素干預(yù)，人工智能影像技術(shù)與器官芯片技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在軌預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)地面數(shù)據(jù)，加快在軌實(shí)驗(yàn)的效率。 其次，高通量高維度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，將對(duì)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提出挑戰(zhàn)，將下一代基因測(cè)序、多維流式細(xì)胞分析、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)與器官芯片的聯(lián)合運(yùn)用后，數(shù)據(jù)將以千兆每秒的速度產(chǎn)生，應(yīng)對(duì)海量級(jí)別的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并進(jìn)行有效分析，是航天任務(wù)中硬件設(shè)備、軟件和通訊技術(shù)支持需要解決的重要問題。 再次，器官芯片的小型化和密集化的發(fā)展形勢(shì)，已超過航天員人為操作能力，極其依賴在軌設(shè)備的自動(dòng)化水平，因此未來(lái)高效的器官芯片集成研究對(duì)空間站設(shè)備的精密制造和高可靠性的要求進(jìn)一步提高。 目前，我國(guó)也已開展了肝臟芯片研究及開發(fā)適用于空間站的藥物代謝器官芯片系統(tǒng)。 針對(duì)上述挑戰(zhàn)，應(yīng)著眼于未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，聯(lián)合多學(xué)科產(chǎn)業(yè)開發(fā)空間自動(dòng)操作的器官芯片及多器官芯片聯(lián)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨躍式發(fā)展，為研究空間環(huán)境對(duì)航天健康的影響提供技術(shù)保障。