血管化类器官和类器官芯片：微流控技术赋能药物研发

血管化类器官和基于微流控技术的高仿真复杂类器官体系

传统类器官模型由于缺乏血管网络、免疫细胞、关键基质细胞和支持细胞，无法完全模拟人体真实组织器官，在疾病建模及药物研发方面具有一定的局限性。如何实现类器官的血管化一直是该领域亟待解决的重要问题。

目前血管化类器官的体外制备方案尚有欠缺：（1）已有的体外血管化类器官缺乏细胞间的连接作用；（2）人来源的血管网络在动物体内形成了功能性血管，然而体外实验中仍然缺乏形成功能性血管的模型；（3）培养体系中添加诱导和维持血管的生长因子：此类方法制备类器官缺乏动态的灌注过程，难以充分模拟真实的血管；（4）血管化肿瘤类器官难以在现有状态下观察免疫细胞对类器官的杀伤作用。针对以上技术难题，项目组拟通过结合类器官芯片和微流控技术来实现体外构建外循环系统。课题组前期创新性的对传统PDO进行改良，结合微流控技术，做到了相同组织量基础上构建了远超过PDO的样本量的富含免疫细胞的血管化类器官微球(micro-organospheres (MOSs)，实现了低样本量的高通量药物筛选。同时MOSs有着更加完整的微环境，不单具有多种肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)，还具有传统PDO缺乏的复杂血管网络，能很好地模拟肿瘤组织在体内的情况，还克服了体外扩增的TILs不能直接浸润PDO与之共培养并对肿瘤进行杀伤的问题，为后续免疫靶向药物及抗血管药物筛选提供了充分基础（见前期基础）。

类器官芯片含有某个器官特有的多种细胞类型，与人类器官拥有高度相似的组织学和基因型特征，并部分重现该器官的特有生理功能[45]，在药物研发领域的应用前景巨大。Skardal等人建立了一个集成的类器官芯片系统，通过再循环灌注系统保持人体组织中提取的类器官的活力和功能[51]，支持肝脏、心脏、血管、肺、睾丸、结肠或大脑六种不同的类器官在体外存活至少28天，可用于筛选临床药物化合物毒性。Kasendra等人构建了一种人类十二指肠芯片，模仿肠道组织结构和功能，用于临床前药物评估。

微流控是由生物、化学、医学、材料、机械、电子等学科交叉而成的创新型研究热点，可在微尺度环境下，实现一系列常规方法所难以完成的微操作，具有超微量、高通量、高度集成的特点。与传统静态培养相比，微流控动态培养为细胞的生长提供更复杂的环境，如流体剪切力、机械应力、生化浓度梯度，高度模拟体内的微环境体系，提高生物模型的仿真度以及对实验参数变化的灵敏度。项目组前期构建了人源胃、小肠、肝、肾类器官，并且完成了肝类器官-微流控搭载，完成序贯性培养过程（见前期基础）。前期还针对性开发了外阴道/子宫内膜、卵巢/子宫内膜等多器官芯片，并结合微流控技术，开发了多种微流控芯片，同时验证了其在药物安全性和敏感性测试中的可行性（见前期基础）。

此外，项目组拟结合血管化类器官和类器官芯片、微流控技术，实现与类器官内部生成血管的端口吻合，开发出具有功能性血管网络、发育成熟的血管化类器官（高仿真类器官芯片）；通过进一步结合高通量筛查和自动化管理，为抗肿瘤新药物研发，尤其是在抗血管生成药物及免疫治疗药物筛选提供一个高效、准确的工具。

类器官高通量自动化药筛平台

现有的类器官药敏检测过程，大部分是手工操作，很大程度上依赖操作者经验，不同操作者之间差异较大，往往造成结果不稳定和不可重复。此外手工操作耗时费力，检测成本昂贵。药筛平台集成化自动化，是提高药筛精准度，快速高效、降低成本的关键，也是需要研发的目标。

类器官自动化建库系统涵盖类器官培养、铺板接种、成像、计数、孵育等环节，通过不同模块间串联，实现类器官培养全过程自动化流转。高通量药物筛选平台需要自动化机器人手臂、智能化控制管理软件，移液工作站、细胞培养箱、低温冰箱、细胞计数仪、细胞成像仪、存储及孵育等模块，实现多类型药物同时测试，小分子药物、大分子抗体类药物的高通量筛选和评价。目前，构建类器官自动化平台需要解决的关键问题有：提高加样模块的精准度：整合多个子系统，进行有效集成和通信处理，协同工作；保持平台稳定性和可靠性，确保能够长时间、高负荷运行。

课题组前期在自动化机械臂、自动进样系统等方面积累了丰富的工作基础。全自动高精度液体加样装置通过实现自动样本的分配与转移，提高样本处理结果的稳定性、准确性以及工作效率。设计了基于 S 型曲线加减速算法的步进电机二维运动模式，提高了机械臂控制精度。课题组前期还开展了化学发光免疫分析仪的研发，其清洗分离环节与本项目有很好的共通性，可以在化学发光免疫分析仪磁分离清洗模块的基础上加以改装，实现类器官药敏检测的自动化清洗分离操作。此外，课题组还构建了高通量、高精度、无创生物组织三维成像系统，能对生物组织进行高精度无创化监测以及在线数据传输。

拟研究的科学问题：

如何实现类器官的血管化，以更好地模拟人体真实组织器官，解决传统类器官模型的局限性？
如何改进血管化类器官的体外制备方案，解决已有的血管化类器官缺乏细胞间连接作用、形成功能性血管的模型、缺乏动态灌注过程等问题？
如何结合类器官芯片和微流控技术，实现体外构建外循环系统，为药物研发提供高通量筛选工具？
如何开发集成化自动化的类器官药筛平台，提高药筛精准度、快速高效、降低成本，解决手工操作不稳定、耗时费力、检测成本昂贵等问题？