生物屏障芯片模型
——疾病研究与药物发现的新型工具
摘要
开发替代动物模型和传统细胞培养的方法，催生了器官芯片(OoC)系统，该系统在生理和病理条件下模拟器官功能。这些微流控平台模拟关键组织界面——如组织-空气、组织-液体和组织-组织相互作用——同时结合生物力学刺激，以紧密模拟体内环境。
这使得OoC系统特别适用于模拟皮肤、胎盘和血脑屏障等生物屏障，这些屏障在维持稳态中发挥着重要作用。本综述探讨了可使用OoC技术复制的各种生物屏障模型，讨论了诱导多能干细胞(iPSCs)的整合以推进个性化医疗。此外，我们考察了评估屏障形成的方法，包括通过集成传感器进行实时监测，并讨论了这些技术的优势和挑战。OoC系统在疾病建模、药物发现和个性化治疗策略中的潜力也得到了强调。
背景
生物屏障在人体中起着关键的防护和调节作用，能够将内部腔室与外部环境或外部刺激隔开，并调节离子、生物分子、病原体和药物的通过。传统模型(如动物模型和二维细胞培养)在研究生物屏障时存在局限性，例如：
伦理问题
种间差异
无法完全模拟体内屏障的复杂性
因此，器官芯片技术作为一种替代方案应运而生，它通过微流控平台模拟器官功能，能够在受控的微环境中更精确地模拟体内条件。
主要内容
1. 血脑屏障芯片(BBB-on-Chip)
功能：模拟大脑与血液之间的屏障
应用：研究药物递送和神经退行性疾病
2. 血视网膜屏障芯片(BRB-on-Chip)
功能：模拟视网膜屏障
应用：研究糖尿病视网膜病变和年龄相关性黄斑变性
3. 皮肤芯片
特点：模拟皮肤的多层结构
应用：研究病毒感染、免疫反应和感觉功能
4. 角膜芯片
用途：研究角膜疾病
价值：测试眼科药物
5. 气道芯片
功能：模拟呼吸道的屏障功能
应用：研究呼吸系统疾病和病毒感染
6. 胃肠道屏障芯片
特点：模拟肠道上皮的结构和功能
应用：研究肠道疾病和药物吸收
7. 睾丸芯片
用途：研究男性生殖健康
价值：评估药物的生殖毒性
8. 胎盘芯片
功能：模拟胎盘的屏障功能
应用：研究药物转运和妊娠并发症
关键结论
技术优势：
比传统模型更精确的平台
能研究生物屏障的生理和病理功能
监测能力：
集成生物传感器实现实时监测
可评估屏障完整性和细胞功能
应用潜力：
疾病建模
药物筛选
个性化治疗策略
未来方向：
减少动物实验依赖
提高临床前研究的预测性
挑战与展望
当前挑战
平台标准化问题
结果再现性挑战
高通量应用规模化难度
临床数据验证需求
发展方向
多器官芯片系统开发
人类临床数据一致性验证
监管审批要求满足
个性化医疗推进
图 1 本文所述芯片上各种生物屏障的示意图
未来，将人工智能用于数据分析以及这些平台的临床应用规模化，将充满巨大潜力。 随着这些技术的不断发展，它们将革新临床前研究，减少对动物实验的依赖，并最终促成更有效、个性化的治疗方法。通过忠实地模拟人体生理功能，器官芯片系统使我们更接近于弥合体外研究与临床结果之间的差距，为更高效、更精确的生物医学进步铺平道路。
屏障芯片技术处于生物医学研究新纪元的尖端，为屏障功能与疾病进展提供了前所未有的视角，同时为更有效的药物开发和精准医学铺平道路。随着跨学科合作的持续和技术的不断改进，这些模型有潜力革新人体生物学研究与治疗创新。
参考文献
Caragnano G, Monteduro A G, Rizzato S, et al. Biological Barrier Models-on-Chips: A Novel Tool for Disease Research and Drug Discovery[J]. Biosensors, 2025, 15(6): 338. https://www.mdpi.com/2079-6374/15/6/338.
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