一、引言

生命科學的發(fā)展一直依賴于技術的創(chuàng)新與突破。傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)和研究方法在模擬體內(nèi)真實環(huán)境方面存在一定局限性，難以揭示生命過程的復雜性以及疾病的發(fā)病機制。

近年來， Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)、Kirkstall Quasi vivo類器官與類器官串聯(lián)芯片技術的出現(xiàn)，為生命科學研究開辟了新的道路。這些技術能夠更真實地模擬體內(nèi)環(huán)境，為細胞和組織的生長、分化以及疾病模型的構建提供了更有效的手段，有望推動生命科學研究取得重大進展，并在疾病研究和藥物研發(fā)等領域發(fā)揮重要作用。

二、微重力培養(yǎng)系統(tǒng)

2.1 工作原理

微重力培養(yǎng)系統(tǒng)主要通過模擬太空微重力環(huán)境來影響細胞和組織的生長。其實現(xiàn)方式多樣，例如利用旋轉(zhuǎn)式生物反應器，通過旋轉(zhuǎn)使細胞在培養(yǎng)過程中受到的重力矢量不斷變化，從而模擬微重力環(huán)境。在這種環(huán)境下，細胞所受的剪切力大幅降低，更接近細胞在體內(nèi)的力學環(huán)境。

以北京基爾比生物科技公司研制生產(chǎn)的微重力培養(yǎng)系統(tǒng) Kilby Gravity為例，它通過精確控制旋轉(zhuǎn)速度，創(chuàng)造出低剪切力環(huán)境，不僅保護了細胞的完整性，還能促進細胞自發(fā)聚集形成三維球體或類器官。此外，部分微重力培養(yǎng)系統(tǒng)還結(jié)合了懸浮培養(yǎng)技術，使細胞在無支架的情況下自由聚集生長，進一步模擬體內(nèi)細胞的生長狀態(tài)。

2.2 技術優(yōu)勢

2.2.1 促進三維結(jié)構形成

在微重力環(huán)境下，細胞更容易形成三維結(jié)構，如類器官或細胞聚集體。與傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)相比，三維結(jié)構更能模擬體內(nèi)組織和器官的真實形態(tài)和功能。細胞在三維空間中可以建立更復雜的細胞間連接和信號傳導通路，有助于研究細胞的分化、發(fā)育以及細胞間相互作用等生物學過程。例如，在微重力培養(yǎng)下的肝細胞能夠形成具有極性和功能分區(qū)的類肝組織，更好地模擬肝臟的生理功能。

2.2.2 減少細胞損傷

微重力培養(yǎng)系統(tǒng)的低剪切力環(huán)境有效減少了細胞在培養(yǎng)過程中的損傷。傳統(tǒng)培養(yǎng)方式中的機械攪拌和液體流動可能會對細胞造成物理損傷，影響細胞的活性和功能。而微重力培養(yǎng)系統(tǒng)為細胞提供了更溫和的生長環(huán)境，能夠維持細胞的正常生理狀態(tài)，提高細胞培養(yǎng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。這對于一些對機械刺激敏感的細胞，如神經(jīng)細胞和內(nèi)皮細胞的培養(yǎng)尤為重要。

2.2.3 長期培養(yǎng)支持

該系統(tǒng)能夠支持細胞的長期培養(yǎng)。由于微重力環(huán)境有利于細胞的存活和生長，一些在傳統(tǒng)培養(yǎng)條件下難以長期維持的細胞類型，在微重力培養(yǎng)系統(tǒng)中可以實現(xiàn)長時間的培養(yǎng)。這為研究細胞的長期生物學變化、慢性疾病的發(fā)病機制以及藥物的長期作用效果提供了可能。例如，通過微重力培養(yǎng)系統(tǒng)可以長期培養(yǎng)神經(jīng)干細胞，觀察其在不同時間點的分化和發(fā)育情況。

2.3 在生命醫(yī)學中的應用

2.3.1 研究微重力環(huán)境對人體細胞和組織的影響

通過在Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)中培養(yǎng)人體細胞和組織，如視網(wǎng)膜細胞、心肌細胞等，可以模擬太空微重力環(huán)境，觀察細胞和組織在這種特殊環(huán)境下的形態(tài)、功能和基因表達變化。這有助于了解宇航員在太空飛行過程中可能面臨的生理問題，如視網(wǎng)膜病變、心血管功能改變等，為制定相應的防護措施和治療方案提供科學依據(jù)。例如，研究發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境下視網(wǎng)膜細胞的代謝和基因表達發(fā)生改變，可能與宇航員太空飛行中出現(xiàn)的視力問題相關。

2.3.2 開發(fā)空間醫(yī)學相關技術和產(chǎn)品

微重力培養(yǎng)系統(tǒng)為開發(fā)空間醫(yī)學相關技術和產(chǎn)品提供了實驗平臺。例如，利用該系統(tǒng)培養(yǎng)的類器官或組織模型，可以用于測試和驗證新型藥物、醫(yī)療器械在太空環(huán)境下的有效性和安全性。此外，通過在微重力環(huán)境下培養(yǎng)干細胞，探索其定向分化和組織修復的潛力，為未來在太空環(huán)境中進行組織工程和再生醫(yī)學治療奠定基礎。

三、類器官

3.1 定義與特點

類器官是一種由干細胞或器官祖細胞在體外培養(yǎng)形成的三維細胞聚集體，具有與相應器官類似的結(jié)構和部分功能。類器官能夠高度模擬體內(nèi)器官的細胞組成、空間結(jié)構以及生理功能，是一種潛力的體外模型。例如，腸道類器官包含腸上皮細胞、杯狀細胞、潘氏細胞等多種細胞類型，并且能夠形成類似腸道絨毛和隱窩的結(jié)構，具備腸道的吸收、分泌等部分功能。類器官具有以下顯著特點：

3.1.1 細胞異質(zhì)性

類器官包含多種細胞類型，能夠反映真實器官的細胞異質(zhì)性。不同類型的細胞在類器官中相互作用，共同維持類器官的結(jié)構和功能。這種細胞異質(zhì)性使得類器官在研究器官發(fā)育、疾病發(fā)病機制以及藥物反應等方面具有優(yōu)勢，因為許多生理和病理過程都依賴于不同細胞類型之間的協(xié)同作用。

3.1.2 自我組織和分化能力

類器官具有自我組織和分化的能力，能夠在適當?shù)呐囵B(yǎng)條件下自發(fā)形成特定的組織結(jié)構。干細胞在培養(yǎng)過程中會根據(jù)周圍環(huán)境信號進行分化，逐漸形成具有不同功能的細胞類型，并有序地組裝成類似器官的結(jié)構。這種自我組織和分化能力是類器官區(qū)別于其他細胞培養(yǎng)模型的重要特征，使其更接近真實器官的發(fā)育過程。

3.1.3 遺傳穩(wěn)定性

類器官在培養(yǎng)過程中能夠保持較好的遺傳穩(wěn)定性，與原代組織或患者來源的細胞具有相似的基因組特征。這使得類器官在研究遺傳相關疾病以及個性化醫(yī)療方面具有重要價值，因為可以利用患者自身的細胞培養(yǎng)類器官，準確模擬患者體內(nèi)的疾病狀態(tài)，為個性化治療方案的制定提供依據(jù)。

3.2 培養(yǎng)過程與技術要點

3.2.1 干細胞來源選擇

類器官的培養(yǎng)通常起始于干細胞，干細胞的來源包括胚胎干細胞、成體干細胞和誘導多能干細胞（iPSCs）。不同來源的干細胞具有各自的優(yōu)缺點，需要根據(jù)研究目的和需求進行選擇。胚胎干細胞具有較強的分化潛能，但存在倫理爭議；成體干細胞來源有限，分化能力相對較弱；iPSCs 則可以從患者自身細胞誘導獲得，具有個性化和避免免疫排斥的優(yōu)勢，但誘導過程較為復雜，可能存在基因突變等問題。

3.2.2 培養(yǎng)體系構建

構建合適的培養(yǎng)體系是類器官培養(yǎng)成功的關鍵。培養(yǎng)體系通常包括培養(yǎng)基、基質(zhì)膠和生長因子等成分。培養(yǎng)基為細胞提供營養(yǎng)物質(zhì)和生長環(huán)境，需要根據(jù)不同類型的類器官進行優(yōu)化。基質(zhì)膠用于模擬細胞外基質(zhì)，為細胞提供附著和生長的支架，常見的基質(zhì)膠如 Matrigel。生長因子則在類器官的誘導分化過程中發(fā)揮重要作用，通過調(diào)節(jié)生長因子的種類和濃度，可以引導干細胞向特定的細胞類型分化，促進類器官的形成。

3.2.3 培養(yǎng)條件優(yōu)化

除了培養(yǎng)體系的成分，培養(yǎng)條件如溫度、濕度、氣體環(huán)境等也需要進行嚴格控制和優(yōu)化。適宜的溫度和濕度能夠保證細胞的正常代謝和生長，而氣體環(huán)境中的氧氣和二氧化碳濃度對細胞的呼吸和 pH 值調(diào)節(jié)至關重要。此外，還需要注意培養(yǎng)過程中的無菌操作，防止微生物污染影響類器官的生長和質(zhì)量。

3.3 在疾病研究中的應用

3.3.1 疾病模型構建

類器官為疾病模型的構建提供了新的途徑。通過將患者來源的 iPSCs 或成體干細胞誘導分化為相應的類器官，可以模擬患者體內(nèi)的疾病狀態(tài)，研究疾病的發(fā)病機制。例如，在神經(jīng)退行性疾病研究中，利用患者的 iPSCs 培養(yǎng)出神經(jīng)類器官，觀察到神經(jīng)類器官中出現(xiàn)與患者相似的理特征，如 β- 淀粉樣蛋白聚集和 tau 蛋白過度磷酸化，為深入研究這些疾病的發(fā)病機制提供了有力工具。

3.3.2 藥物篩選與個性化醫(yī)療

類器官在藥物篩選和個性化醫(yī)療方面具有巨大潛力。由于類器官高度模擬體內(nèi)器官的功能和細胞組成，能夠更準確地預測藥物在人體內(nèi)的療效和毒性。通過在類器官上進行藥物測試，可以快速篩選出有效的藥物，并評估藥物的安全性和副作用。此外，利用患者自身細胞培養(yǎng)的類器官進行藥物敏感性測試，可以為患者制定個性化的治療方案，提高治療效果，減少藥物不良反應。例如，在腫瘤治療中，通過培養(yǎng)患者的腫瘤類器官，篩選出對該患者腫瘤細胞最敏感的抗癌藥物，實現(xiàn)精準治療。

四、類器官串聯(lián)芯片技術

4.1 技術原理與構成

類器官串聯(lián)芯片技術是將類器官與微流控芯片技術相結(jié)合的一種新興技術。該技術通過在芯片上構建微流控通道和培養(yǎng)腔室，實現(xiàn)對類器官的精準培養(yǎng)、操控和分析。

Kirkstall Quasi Vivo芯片的微流控通道可以精確控制液體的流動和成分，為類器官提供穩(wěn)定的營養(yǎng)物質(zhì)供應和代謝廢物排出途徑，同時模擬體內(nèi)的生理流體環(huán)境，如血流和組織液流動。培養(yǎng)腔室則用于容納類器官，為其生長和發(fā)育提供合適的空間。便于實時監(jiān)測類器官的生理狀態(tài)和功能變化，如細胞代謝、基因表達等?？梢酝ㄟ^檢測類器官分泌的生物標志物，通過熒光成像技術觀察類器官內(nèi)細胞的動態(tài)變化。

4.2 優(yōu)勢與創(chuàng)新點

4.2.1 精準的環(huán)境控制

Kirkstall Quasi Vivo類器官串聯(lián)芯片技術能夠?qū)崿F(xiàn)對類器官培養(yǎng)環(huán)境的精準控制。通過微流控技術，可以精確調(diào)節(jié)培養(yǎng)介質(zhì)的流速、成分和濃度，模擬體內(nèi)不同生理狀態(tài)下的營養(yǎng)物質(zhì)和信號分子的供應情況。這種精準的環(huán)境控制有助于研究細胞在特定微環(huán)境下的生物學行為，以及環(huán)境因素對類器官發(fā)育和功能的影響。例如，通過調(diào)節(jié)芯片中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度梯度，可以研究細胞在不同營養(yǎng)條件下的生長和分化差異。

4.2.2 高通量與集成化

該技術具有高通量和集成化的特點。芯片上可以同時培養(yǎng)多個類器官，實現(xiàn)對多種藥物或?qū)嶒灄l件的并行測試，大大提高了實驗效率。同時，芯片可以集成多種功能模塊，如細胞培養(yǎng)、藥物遞送、生物檢測等，將傳統(tǒng)實驗中的多個步驟整合在一個芯片上完成，減少了實驗操作的復雜性和誤差。例如，一些高通量類器官串聯(lián)芯片可以在一次實驗中對數(shù)十種藥物進行篩選，快速評估藥物的療效和毒性。

4.3 在藥物研發(fā)中的應用

4.3.1 藥物篩選與評價

Kirkstall Quasi Vivo類器官串聯(lián)芯片技術為藥物篩選和評價提供了更高效、準確的平臺。在藥物研發(fā)過程中，傳統(tǒng)的細胞模型和動物模型存在與人體生理差異較大的問題，導致藥物篩選的假陽性和假陰性率較高。

而類器官串聯(lián)芯片技術利用人體細胞培養(yǎng)的類器官，能夠更真實地模擬人體器官的生理功能和藥物反應，提高藥物篩選的準確性。通過在芯片上同時培養(yǎng)多種類器官，如肝臟類器官、心臟類器官和腸道類器官，可以全面評估藥物在不同器官中的代謝、毒性和療效，為藥物研發(fā)提供更全面的信息。

4.3.2 藥物代謝與毒性研究

藥物的代謝和毒性是藥物研發(fā)過程中需要重點關注的問題。Kirkstall Quasi Vivo類器官串聯(lián)芯片技術可以通過模擬體內(nèi)藥物代謝途徑和器官間相互作用，深入研究藥物的代謝過程和毒性機制。肝臟是藥物代謝的主要器官，利用肝臟類器官串聯(lián)芯片可以研究藥物在肝臟中的代謝產(chǎn)物生成、藥物代謝酶的活性變化等。

同時，將肝臟類器官與其他類器官如腎臟類器官串聯(lián)起來，可以研究藥物及其代謝產(chǎn)物在不同器官之間的轉(zhuǎn)運和排泄過程，評估藥物對多個器官的潛在毒性。例如，研究發(fā)現(xiàn)某些藥物在肝臟代謝后產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物對腎臟具有毒性，通過類器官串聯(lián)芯片技術可以直觀地觀察到這種器官間的毒性傳遞過程，為藥物安全性評價提供重要依據(jù)。

4.3.3 個性化藥物研發(fā)

個性化藥物研發(fā)是未來藥物發(fā)展的趨勢，類器官串聯(lián)芯片技術在這方面具有優(yōu)勢。通過培養(yǎng)患者自身的類器官，并將其集成到芯片上進行藥物測試，可以根據(jù)患者的個體差異篩選出的藥物和治療方案。這種個性化的藥物研發(fā)模式能夠提高藥物治療的有效性和安全性，減少藥物不良反應的發(fā)生。例如，在腫瘤個性化治療中，利用患者的腫瘤類器官串聯(lián)芯片，可以針對患者腫瘤細胞的特定基因突變和生物學特性，篩選出的抗癌藥物，實現(xiàn)精準治療。

五、新技術的協(xié)同應用與未來展望

5.1 協(xié)同應用

在實際研究中，Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)、Kirkstall Quasi Vivo類器官與類器官串聯(lián)芯片技術可以相互協(xié)同，發(fā)揮更大的作用。例如，利用微重力培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)類器官，能夠促進類器官形成更接近體內(nèi)真實結(jié)構和功能的三維組織，提高類器官的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

然后，將培養(yǎng)好的類器官集成到類器官串聯(lián)芯片上，通過芯片的精準環(huán)境控制和實時監(jiān)測功能，研究微重力環(huán)境下類器官對藥物的反應以及疾病的發(fā)展機制。在神經(jīng)科學研究中，可以先在微重力培養(yǎng)系統(tǒng)中誘導神經(jīng)干細胞分化形成神經(jīng)類器官，然后將神經(jīng)類器官置于類器官串聯(lián)芯片上，通過芯片上的微流控通道模擬腦脊液的流動，觀察神經(jīng)類器官在這種接近體內(nèi)生理環(huán)境下的發(fā)育和功能變化，以及藥物對神經(jīng)類器官的作用效果。

5.2 未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

5.2.1 技術改進與創(chuàng)新

未來，該技術將不斷進行改進和創(chuàng)新。微重力培養(yǎng)系統(tǒng)將進一步提高微重力模擬的精度和穩(wěn)定性，開發(fā)更加智能化的控制和監(jiān)測功能，降低設備成本，使其更廣泛地應用于科研和產(chǎn)業(yè)領域。類器官技術將致力于提高類器官的分化效率和功能成熟度，拓展類器官的種類和應用范圍，如構建更復雜的多器官類器官模型。類器官串聯(lián)芯片技術將朝著更高通量、更微型化、更智能化的方向發(fā)展，集成更多先進的檢測技術和數(shù)據(jù)分析算法，實現(xiàn)對類器官的、實時、精準分析。

5.2.2 標準化與質(zhì)量控制

隨著技術的發(fā)展，標準化和質(zhì)量控制將成為關鍵問題。建立統(tǒng)一的類器官培養(yǎng)標準、類器官串聯(lián)芯片制備標準以及實驗操作規(guī)范，對于保證實驗結(jié)果的可重復性和可比性至關重要。同時，需要開發(fā)有效的質(zhì)量控制方法，對類器官的質(zhì)量、芯片的性能以及實驗數(shù)據(jù)的可靠性進行嚴格評估和監(jiān)測。例如，制定類器官的細胞組成、結(jié)構特征和功能指標等質(zhì)量標準，建立芯片制造過程中的質(zhì)量檢測體系。

5.2.3 臨床轉(zhuǎn)化與應用推廣

將這些技術從實驗室研究轉(zhuǎn)化為臨床應用是未來的重要發(fā)展方向。雖然目前在疾病研究和藥物研發(fā)方面已經(jīng)取得了一些成果，但要真正應用于臨床治療還面臨諸多挑戰(zhàn)，如技術的安全性、有效性驗證，臨床操作流程的優(yōu)化，以及法規(guī)政策的支持等。需要加強產(chǎn)學研醫(yī)的合作，開展多中心臨床試驗，加速技術的臨床轉(zhuǎn)化進程，讓這些先進技術能夠造福更多患者。

隨著科技的飛速發(fā)展，微重力培養(yǎng)系統(tǒng)、類器官以及類器官串聯(lián)芯片技術逐漸嶄露頭角，為生命科學研究帶來了的機遇。Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)能夠模擬太空微重力環(huán)境，為細胞和組織的生長提供條件；類器官作為一種體外培養(yǎng)的微型器官，高度模擬真實器官的結(jié)構和功能；Kirkstall Quasi Vivo類器官串聯(lián)芯片技術則將類器官與芯片技術相結(jié)合，實現(xiàn)對類器官的精準操控和分析。微重力培養(yǎng)系統(tǒng)、類器官與類器官串聯(lián)芯片技術作為生命科學領域的新興技術，各自具有的優(yōu)勢和應用價值。發(fā)揮其在生命科學、疾病研究和藥物研發(fā)等領域的應用，展現(xiàn)它們?yōu)橄嚓P研究提供的嶄新技術手段和研究范式。

正如中國空間站的腦類器官實驗所揭示的：在探索星辰大海的征程中，密的宇宙飛船或許正是人類自身。腦類器官芯片的空間站實驗，不僅實現(xiàn)了《三體》中“脫水與復蘇"的科幻場景在細胞層面的演繹，更標志著生命科學研究范式從“動物替人受苦"轉(zhuǎn)向“人體自我模擬"的倫理與技術雙突破。

北 京 基 爾 比 生物科技公司主營產(chǎn)品：

Kilby 全自動3D細胞培養(yǎng)儀，

Kilby Gravity 微超重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)，

動植物3D回轉(zhuǎn)重力環(huán)境模擬系統(tǒng)，隨機定位儀，

Kilby Bio類器官芯片搖擺灌注儀，

Kirkstall Quasi Vivo 類器官串聯(lián)芯片3D仿生培養(yǎng)系統(tǒng)

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