器官芯片技术与传统2D细胞培养和动物模型的比较与优势
2026-04-09 来源:本站 点击次数:235长期以来，药物发现一直依赖于二维（2D）细胞培养模型和动物实验，但这些传统方法在预测人体对药物的反应方面存在严重局限。平面、静态的体外细胞培养无法再现人体生物学的复杂性，而动物模型则常因物种间在代谢和生理上的特异性差异而产生误导性结果。
在此背景下，器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）技术——亦称微生理系统
（MicrophysiologicalSystems, MPS）——应运而生。这项突破性技术通过构建动态、灌注式的三维组织模型，提供更具人体相关性的数据。OOC不仅能模拟器官层面的功能，还可实现多器官互联，正在深刻变革药物开发、毒理学评估和疾病建模领域，并为监管机构所认可的新方法学（New Approach Methodologies, NAMs）铺平道路。在近期一次 SelectScience专访中，CN Bio公司CSO Thomas Kostrzewski博士分享了他的专业见解。上海曼博生物可提供器官芯片/类器官相关技术支持，如有需要欢迎点击咨询。
图1.CN Bio 的CSO Kostrzewski博士,Kostrzewski 博士在分子和细胞生物学研究领域拥有超过 15 年的经验，自2023年以来一直担任 CN Bio 的首席科学官。
问题一：传统2D细胞培养和动物模型有哪些局限性？而器官芯片（OOC）技术旨在解决这些局限性。传统上，药物发现测试所使用的设备、工作流程和方法都是围绕简单的静态二维（2D）细胞培养体系进行优化的——即在平面微孔板表面培养细胞。然而，人体生物学既非平面，也非简单或静态。尽管2D培养具有操作便捷和易于放大的优势，但其在预测更复杂、潜伏性的药物反应或揭示药物作用机制方面存在明显局限。典型的2D体外细胞培养通常仅评估单一的表型读数，而非全面、系统地考察细胞在药物作用下的整体响应。
近一个世纪以来，动物实验一直是药物研发的核心支柱，但其局限性日益凸显。每年有数十亿美元投入药物发现领域，然而大多数候选药物最终未能上市，主要原因在于物种间的固有差异导致对人类药物反应的预测失准。例如，啮齿类动物的基础代谢特征与人类截然不同，且表达一系列不同的关键代谢酶。随着新型药物模式（如基因疗法、抗体药物、RNA靶向药物等）的大量涌现，这一问题愈发严重——这些新药往往依赖于人类特有的作用机制，而动物模型不仅缺乏相应的人源靶点，甚至在动物组织中根本不存在这些靶点，使得动物实验更加不适用。
器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）技术，又称微生理系统（Microphysiological Systems, MPS），通过构建三维（3D）的器官或组织仿生模型，并引入流体灌注以模拟血液循环，从而更真实地再现人体微环境。已有大量研究表明，这类在实验室中培养的仿生模型在功能表现和药物响应方面更具人类预测性。此外，多个器官芯片还可相互连接，用于模拟诸如药物吸收与代谢等全身性过程，从而更准确地预测药物的生物利用度；或用于研究器官间的相互作用（如炎症反应），这些相互作用往往是疾病进展和意外毒性的关键驱动因素。
问题二：你们动态灌注环境提供了哪些静态 3D 类器官无法提供的关键生理功能？
器官芯片（OOC）所提供的动态灌注环境具备多项静态3D类器官无法实现的关键功能。其中最重要的包括：更长的培养寿命（OOC可维持长达4周，支持对药物长期慢性暴露效应的研究，以及更复杂的生物学相互作用的长期观察）、免疫组分的整合能力、更高的检测灵敏度，以及将多个器官连接构建多器官系统的能力。
尽管3D类器官可用于某些前沿的细胞培养研究，但它们无法像OOC那样真实再现人体组织的生理相关性和空间结构，对于肺等屏障型器官而言更是如此——在人体中，肺上皮的顶端在呼吸过程中直接接触空气，而这一关键特征在传统类器官模型中难以模拟。
因此，类器官在感染、环境毒理学和药物开发等研究领域应用受限，因为肺部最主要的暴露途径——气溶胶化与吸入——无法在类器官系统中实现。此外，一些关键的肺功能终点指标，如纤毛摆动频率和黏液分泌，也无法在类器官中得到充分评估。而利用OOC技术，研究人员能够构建更具生理相关性的屏障模型，实现上皮顶端暴露于空气的同时，基底侧接受培养基的持续灌注[1,2]。
在检测灵敏度方面，Nitsche等人的一项有趣研究比较了不同构型的肝脏模型（包括2D培养和灌注式类器官培养）在模拟胆汁淤积性化学毒性方面的潜力[3]。研究发现，类器官培养中虽可检测到胆汁酸合成，但水平较低；更重要的是，在施加测试化合物后，类器官未能重现胆汁淤积性损伤的典型生物标志物。相比之下，基于原代人肝细胞的肝芯片微组织对三种测试化合物均产生响应，表现为胆汁酸释放明显减少——这正是胆汁淤积性肝损伤的关键生物标志物。
此外，类器官的另一大局限在于缺乏免疫活性。而OOC模型可通过整合组织驻留免疫细胞和外周免疫细胞来克服这一缺陷，后者可借助培养基的动态灌注在系统中循环。这种对免疫系统的有效模拟，使科学家能够揭示免疫介导的毒性问题，诱导具有炎症成分的常见疾病（如代谢功能障碍相关脂肪性肝炎，MASH），或构建更适合研究人类感染反应的模型——在这些场景中，动物模型往往并不适用。
问题三：使用您的 OOC 系统，哪种特定疾病或毒性模型在人类预测能力方面表现出最大的提升？
我们观察到两个需求旺盛的研究方向。其一是代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）的建模。人类代谢性疾病通常具有高度复杂性、多因素性，研究难度很大。过去，研究人员只能在两类模型之间做出妥协：动物模型无法充分反映人类肝脏的代谢特征，而简单的细胞培养又缺乏真实器官或组织所具备的复杂性。
2023年，我们的MASH模型成功支持了一种新型候选药物的表征，推动Inipharm公司启动其候选药物INI-822的I期临床试验。这一里程碑事件标志着器官芯片（OOC）数据首次被用于支持针对一种高发病率、高复杂性的代谢性肝病药物进入临床阶段——而目前针对该疾病的有效治疗选择极为有限。
另一个正在兴起的重要方向是肺部及肺部疾病的建模。众所周知，呼吸系统疾病是全球第二大死因，而现有疗法大多仅为对症支持治疗。在过去40年中，由于缺乏可靠的体外模型和合适的动物模型，真正意义上的新型呼吸系统治疗药物寥寥无几。传统的体外模型生理相关性有限，而动物模型在解剖结构、免疫反应及炎症应答等方面与人类存在明显差异，难以准确模拟人类肺部疾病。
问题四：您的技术能够连接多个器官，这将如何从根本上改变药物吸收和代谢 (ADME) 的研究？
传统上，体外吸收和通透性数据通常通过Caco-2模型获得，并结合使用悬浮肝细胞进行体外肝脏清除率测定。然而，这种方法无法充分反映药物在肠道吸收并经代谢后的真实药代动力学过程，因而难以准确估算最终到达肝脏的药物比例。因此，采用孤立的单一检测方法在评估药物生物利用度时存在明显的知识空白。
图2.双器官芯片板（货号：MPS-TL6），放大图展示了灌注液如何围绕屏障和肝脏隔室循环。
我们的PhysioMimix多器官肠-肝模型独具优势，能够在同一个相互连接、完全基于原代人源组织的系统中，同时研究肠道吸收与肝脏清除过程。因此，在Caco-2研究的基础上补充采用我们的方法，可全面揭示人体肠道与肝脏的联合作用，从而在体外更准确地预测口服药物的生物利用度。此外，Caco-2细胞模型在处理前药（pro-drugs）时存在局限性，因其表达的羧酸酯酶1和2（CES1和CES2）水平与人体肠道中这些关键酶的实际表达情况并不相符。
问题五：随着立法和伦理压力不断增加，要求逐步淘汰动物试验，OOC 技术如何定位为一种可行且与人类相关的新方法论 (NAM)？
器官芯片（OOC）技术不仅是一种符合伦理的替代方案，更是一种获得监管机构认可的方法。已有研究证明，其在弥合药物开发中转化医学鸿沟方面具有科学上的优越性。
尽管在验证、标准化和数据共享等方面仍存在挑战，尚需进一步努力以彻底消除采用障碍，但立法支持、FDA的资格认定项目、行业主导的验证研究，以及与计算机模拟（in silico）工具的整合），共同将OOC置于新方法学（NAM）革命的核心位置，使其成为推动这一变革的关键赋能技术。
问题六：监管机构目前在多大程度上接受 OOC 数据？CN Bio 如何为wider行业采用所需的标准化做出贡献？
CN Bio一直并持续积极参与众多联盟、工作组和网络，这些组织正积极推动变革，以促进微生理系统（MPS）在行业内的更多应用。其中包括与美国国家卫生研究院基金会（FNIH）、跨部门替代方法验证协调委员会（ICCVAM）以及关键路径研究所（C-Path）等机构开展的直接或间接合作。这些机构与美国食品药品监督管理局（FDA）协作，通过整合美国政府及其他相关机构的专业知识、数据和资源，促进跨部门协调，加速监管科学的发展进程。
其中一个典型案例是由“3R协作组织”（3Rs Collaborative, 3RsC）牵头的一项正在进行的项目。该项目汇聚了监管机构、技术提供商、终端用户以及非营利组织，共同推动MPS在监管应用场景中的负责任使用。
作为该项目的一部分，CN Bio与3RsC、FDA 药品审评与研究中心（CDER）、9家商业技术提供商、1 家终端用户、美国国立卫生研究院下属的跨部门替代方法评估与转化中心（NIH-NICEATM）以及C-Path携手合作，启动了一项旨在评估肝脏 MPS 模型检测药物性肝损伤（DILI）能力的研究。该项目的目标是采用统一的实验方案，在多个间评估模型表现的一致性，从而增强对这些模型准确性、可靠性及标准化表征的信心。该研究结果预计将于2026年初正式发表。
问题七：在当前的科研环境下，为什么科学领域的同行交流如此重要？
同行之间的交流对于推动科学发展很重要，因为它能加速建立信任、促进知识传递，并加强协作解决问题的能力。在器官芯片（OOC）领域，今年监管政策的变革步伐已大幅加快，以至于跟上这一节奏正逐渐成为一项共同使命！尽管如今的问题已不再是“是否”会最终取代动物实验，而是“何时”实现，但要促使仍持怀疑态度的人迈出下一步，仍需社会认同（social proof）的支持。
共享的案例研究和验证数据能够展示技术的可靠性，而可重复性则有助于增强监管机构的信心，加速标准化进程与实践的建立。同时，工程学、生物学和计算建模等跨学科的协作将推动创新周期更快地迭代与发展。
曼博生物（MineBio）：CN Bio 正式授权的中国代理商
作为中国器官芯片领域的专业服务者与资源整合方，曼博生物专注于连接国际前沿技术与本土产业需求，致力于弥补国内器官芯片行业在技术标准化与产业链协同中的短板。通过引入经全球权威机构验证且应用互补的器官芯片技术，我们提供从技术适配、产品供应到场景化应用支持的综合服务，助力中国生物医药企业、科研机构及相关单位探索更优质、更符合伦理的药物研发路径，逐步推动器官芯片在药物开发、有效性评估、毒性评估等领域的实践应用。
参考文献
1.Phan et al., Advanced pathophysiology mimicking lung models for accelerated drug discovery, Biomat Res. 2023.
2.Caygill et al., Dynamic Culture Improves the Predictive Power of Bronchial and Alveolar Airway Models of SARS-CoV-2 Infection bioRxiv, 2025.
3.Nitsche et al., Exploring the potential of liver microphysiological systems of varied configurations to model cholestatic chemical effects. Arch Toxicol (2025).
拓展阅读
1.CN Bio | 可用于体外寡核苷酸（siRNA和ASO等）递送检测方法的器官芯片
2.CN Bio | 利用跨物种肝脏MPS DILI检测，增强体外到体内外推