我国首次脑类器官与器官芯片，搭乘天舟九号货运飞船开展微重力环境生命科学研究

 

一、引言

生命科学的发展一直依赖于技术的创新与突破。传统的细胞培养和研究方法在模拟体内真实环境方面存在一定局限性，难以完全揭示生命过程的复杂性以及疾病的发病机制。

近年来， Kilby Gravity微重力培养系统、Kirkstall Quasi vivo类器官与类器官串联芯片技术的出现，为生命科学研究开辟了新的道路。这些技术能够更真实地模拟体内环境，为细胞和组织的生长、分化以及疾病模型的构建提供了更有效的手段，有望推动生命科学研究取得重大进展，并在疾病研究和药物研发等领域发挥重要作用。

二、微重力培养系统

2.1 工作原理

微重力培养系统主要通过模拟太空微重力环境来影响细胞和组织的生长。其实现方式多样，例如利用旋转式生物反应器，通过旋转使细胞在培养过程中受到的重力矢量不断变化，从而模拟微重力环境。在这种环境下，细胞所受的剪切力大幅降低，更接近细胞在体内的力学环境。

以北京基尔比生物科技公司研制生产的微重力培养系统 Kilby Gravity为例，它通过精确控制旋转速度，创造出低剪切力环境，不仅保护了细胞的完整性，还能促进细胞自发聚集形成三维球体或类器官。此外，部分微重力培养系统还结合了悬浮培养技术，使细胞在无支架的情况下自由聚集生长，进一步模拟体内细胞的生长状态。

2.2 技术优势

2.2.1 促进三维结构形成

在微重力环境下，细胞更容易形成三维结构，如类器官或细胞聚集体。与传统的二维细胞培养相比，三维结构更能模拟体内组织和器官的真实形态和功能。细胞在三维空间中可以建立更复杂的细胞间连接和信号传导通路，有助于研究细胞的分化、发育以及细胞间相互作用等生物学过程。例如，在微重力培养下的肝细胞能够形成具有极性和功能分区的类肝组织，更好地模拟肝脏的生理功能。

2.2.2 减少细胞损伤

微重力培养系统的低剪切力环境有效减少了细胞在培养过程中的损伤。传统培养方式中的机械搅拌和液体流动可能会对细胞造成物理损伤，影响细胞的活性和功能。而微重力培养系统为细胞提供了更温和的生长环境，能够维持细胞的正常生理状态，提高细胞培养的质量和稳定性。这对于一些对机械刺激敏感的细胞，如神经细胞和内皮细胞的培养尤为重要。

2.2.3 长期培养支持

该系统能够支持细胞的长期培养。由于微重力环境有利于细胞的存活和生长，一些在传统培养条件下难以长期维持的细胞类型，在微重力培养系统中可以实现长时间的培养。这为研究细胞的长期生物学变化、慢性疾病的发病机制以及药物的长期作用效果提供了可能。例如，通过微重力培养系统可以长期培养神经干细胞，观察其在不同时间点的分化和发育情况。

2.3 在生命医学中的应用

2.3.1 研究微重力环境对人体细胞和组织的影响

通过在Kilby Gravity微重力培养系统中培养人体细胞和组织，如视网膜细胞、心肌细胞等，可以模拟太空微重力环境，观察细胞和组织在这种特殊环境下的形态、功能和基因表达变化。这有助于了解宇航员在太空飞行过程中可能面临的生理问题，如视网膜病变、心血管功能改变等，为制定相应的防护措施和治疗方案提供科学依据。例如，研究发现微重力环境下视网膜细胞的代谢和基因表达发生改变，可能与宇航员太空飞行中出现的视力问题相关。

2.3.2 开发空间医学相关技术和产品

微重力培养系统为开发空间医学相关技术和产品提供了实验平台。例如，利用该系统培养的类器官或组织模型，可以用于测试和验证新型药物、医疗器械在太空环境下的有效性和安全性。此外，通过在微重力环境下培养干细胞，探索其定向分化和组织修复的潜力，为未来在太空环境中进行组织工程和再生医学治疗奠定基础。

三、类器官

3.1 定义与特点

类器官是一种由干细胞或器官祖细胞在体外培养形成的三维细胞聚集体，具有与相应器官类似的结构和部分功能。类器官能够高度模拟体内器官的细胞组成、空间结构以及生理功能，是一种极具潜力的体外模型。例如，肠道类器官包含肠上皮细胞、杯状细胞、潘氏细胞等多种细胞类型，并且能够形成类似肠道绒毛和隐窝的结构，具备肠道的吸收、分泌等部分功能。类器官具有以下显著特点：

3.1.1 细胞异质性

类器官包含多种细胞类型，能够反映真实器官的细胞异质性。不同类型的细胞在类器官中相互作用，共同维持类器官的结构和功能。这种细胞异质性使得类器官在研究器官发育、疾病发病机制以及药物反应等方面具有独特优势，因为许多生理和病理过程都依赖于不同细胞类型之间的协同作用。

3.1.2 自我组织和分化能力

类器官具有自我组织和分化的能力，能够在适当的培养条件下自发形成特定的组织结构。干细胞在培养过程中会根据周围环境信号进行分化，逐渐形成具有不同功能的细胞类型，并有序地组装成类似器官的结构。这种自我组织和分化能力是类器官区别于其他细胞培养模型的重要特征，使其更接近真实器官的发育过程。

3.1.3 遗传稳定性

类器官在培养过程中能够保持较好的遗传稳定性，与原代组织或患者来源的细胞具有相似的基因组特征。这使得类器官在研究遗传相关疾病以及个性化医疗方面具有重要价值，因为可以利用患者自身的细胞培养类器官，准确模拟患者体内的疾病状态，为个性化治疗方案的制定提供依据。

3.2 培养过程与技术要点

3.2.1 干细胞来源选择

类器官的培养通常起始于干细胞，干细胞的来源包括胚胎干细胞、成体干细胞和诱导多能干细胞（iPSCs）。不同来源的干细胞具有各自的优缺点，需要根据研究目的和需求进行选择。胚胎干细胞具有较强的分化潜能，但存在伦理争议；成体干细胞来源有限，分化能力相对较弱；iPSCs 则可以从患者自身细胞诱导获得，具有个性化和避免免疫排斥的优势，但诱导过程较为复杂，可能存在基因突变等问题。

3.2.2 培养体系构建

构建合适的培养体系是类器官培养成功的关键。培养体系通常包括培养基、基质胶和生长因子等成分。培养基为细胞提供营养物质和生长环境，需要根据不同类型的类器官进行优化。基质胶用于模拟细胞外基质，为细胞提供附着和生长的支架，常见的基质胶如 Matrigel。生长因子则在类器官的诱导分化过程中发挥重要作用，通过调节生长因子的种类和浓度，可以引导干细胞向特定的细胞类型分化，促进类器官的形成。

3.2.3 培养条件优化

除了培养体系的成分，培养条件如温度、湿度、气体环境等也需要进行严格控制和优化。适宜的温度和湿度能够保证细胞的正常代谢和生长，而气体环境中的氧气和二氧化碳浓度对细胞的呼吸和 pH 值调节至关重要。此外，还需要注意培养过程中的无菌操作，防止微生物污染影响类器官的生长和质量。

3.3 在疾病研究中的应用

3.3.1 疾病模型构建

类器官为疾病模型的构建提供了新的途径。通过将患者来源的 iPSCs 或成体干细胞诱导分化为相应的类器官，可以模拟患者体内的疾病状态，研究疾病的发病机制。例如，在神经退行性疾病研究中，利用患者的 iPSCs 培养出神经类器官，观察到神经类器官中出现与患者相似的神经病理特征，如 β- 淀粉样蛋白聚集和 tau 蛋白过度磷酸化，为深入研究这些疾病的发病机制提供了有力工具。

3.3.2 药物筛选与个性化医疗

类器官在药物筛选和个性化医疗方面具有巨大潜力。由于类器官高度模拟体内器官的功能和细胞组成，能够更准确地预测药物在人体内的疗效和毒性。通过在类器官上进行药物测试，可以快速筛选出有效的药物，并评估药物的安全性和副作用。此外，利用患者自身细胞培养的类器官进行药物敏感性测试，可以为患者制定个性化的治疗方案，提高治疗效果，减少药物不良反应。例如，在肿瘤治疗中，通过培养患者的肿瘤类器官，筛选出对该患者肿瘤细胞最敏感的抗癌药物，实现精准治疗。

四、类器官串联芯片技术

4.1 技术原理与构成

类器官串联芯片技术是将类器官与微流控芯片技术相结合的一种新兴技术。该技术通过在芯片上构建微流控通道和培养腔室，实现对类器官的精准培养、操控和分析。

Kirkstall Quasi Vivo芯片的微流控通道可以精确控制液体的流动和成分，为类器官提供稳定的营养物质供应和代谢废物排出途径，同时模拟体内的生理流体环境，如血流和组织液流动。培养腔室则用于容纳类器官，为其生长和发育提供合适的空间。便于实时监测类器官的生理状态和功能变化，如细胞代谢、基因表达等。可以通过检测类器官分泌的生物标志物，通过荧光成像技术观察类器官内细胞的动态变化。

4.2 优势与创新点

4.2.1 精准的环境控制

Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片技术能够实现对类器官培养环境的精准控制。通过微流控技术，可以精确调节培养介质的流速、成分和浓度，模拟体内不同生理状态下的营养物质和信号分子的供应情况。这种精准的环境控制有助于研究细胞在特定微环境下的生物学行为，以及环境因素对类器官发育和功能的影响。例如，通过调节芯片中营养物质的浓度梯度，可以研究细胞在不同营养条件下的生长和分化差异。

4.2.2 高通量与集成化

该技术具有高通量和集成化的特点。芯片上可以同时培养多个类器官，实现对多种药物或实验条件的并行测试，大大提高了实验效率。同时，芯片可以集成多种功能模块，如细胞培养、药物递送、生物检测等，将传统实验中的多个步骤整合在一个芯片上完成，减少了实验操作的复杂性和误差。例如，一些高通量类器官串联芯片可以在一次实验中对数十种药物进行筛选，快速评估药物的疗效和毒性。

4.3 在药物研发中的应用

4.3.1 药物筛选与评价

Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片技术为药物筛选和评价提供了更高效、准确的平台。在药物研发过程中，传统的细胞模型和动物模型存在与人体生理差异较大的问题，导致药物筛选的假阳性和假阴性率较高。

而类器官串联芯片技术利用人体细胞培养的类器官，能够更真实地模拟人体器官的生理功能和药物反应，提高药物筛选的准确性。通过在芯片上同时培养多种类器官，如肝脏类器官、心脏类器官和肠道类器官，可以全面评估药物在不同器官中的代谢、毒性和疗效，为药物研发提供更全面的信息。

4.3.2 药物代谢与毒性研究

药物的代谢和毒性是药物研发过程中需要重点关注的问题。Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片技术可以通过模拟体内药物代谢途径和器官间相互作用，深入研究药物的代谢过程和毒性机制。肝脏是药物代谢的主要器官，利用肝脏类器官串联芯片可以研究药物在肝脏中的代谢产物生成、药物代谢酶的活性变化等。

同时，将肝脏类器官与其他类器官如肾脏类器官串联起来，可以研究药物及其代谢产物在不同器官之间的转运和排泄过程，评估药物对多个器官的潜在毒性。例如，研究发现某些药物在肝脏代谢后产生的代谢产物对肾脏具有毒性，通过类器官串联芯片技术可以直观地观察到这种器官间的毒性传递过程，为药物安全性评价提供重要依据。

4.3.3 个性化药物研发

个性化药物研发是未来药物发展的趋势，类器官串联芯片技术在这方面具有独特优势。通过培养患者自身的类器官，并将其集成到芯片上进行药物测试，可以根据患者的个体差异筛选出最适合的药物和治疗方案。这种个性化的药物研发模式能够提高药物治疗的有效性和安全性，减少药物不良反应的发生。例如，在肿瘤个性化治疗中，利用患者的肿瘤类器官串联芯片，可以针对患者肿瘤细胞的特定基因突变和生物学特性，筛选出最有效的抗癌药物，实现精准治疗。

五、新技术的协同应用与未来展望

5.1 协同应用

在实际研究中，Kilby Gravity微重力培养系统、Kirkstall Quasi Vivo类器官与类器官串联芯片技术可以相互协同，发挥更大的作用。例如，利用微重力培养系统培养类器官，能够促进类器官形成更接近体内真实结构和功能的三维组织，提高类器官的质量和稳定性。

然后，将培养好的类器官集成到类器官串联芯片上，通过芯片的精准环境控制和实时监测功能，研究微重力环境下类器官对药物的反应以及疾病的发展机制。在神经科学研究中，可以先在微重力培养系统中诱导神经干细胞分化形成神经类器官，然后将神经类器官置于类器官串联芯片上，通过芯片上的微流控通道模拟脑脊液的流动，观察神经类器官在这种接近体内生理环境下的发育和功能变化，以及药物对神经类器官的作用效果。

5.2 未来发展趋势与挑战

5.2.1 技术改进与创新

未来，该技术将不断进行改进和创新。微重力培养系统将进一步提高微重力模拟的精度和稳定性，开发更加智能化的控制和监测功能，降低设备成本，使其更广泛地应用于科研和产业领域。类器官技术将致力于提高类器官的分化效率和功能成熟度，拓展类器官的种类和应用范围，如构建更复杂的多器官类器官模型。类器官串联芯片技术将朝着更高通量、更微型化、更智能化的方向发展，集成更多先进的检测技术和数据分析算法，实现对类器官的全方位、实时、精准分析。

5.2.2 标准化与质量控制

随着技术的发展，标准化和质量控制将成为关键问题。建立统一的类器官培养标准、类器官串联芯片制备标准以及实验操作规范，对于保证实验结果的可重复性和可比性至关重要。同时，需要开发有效的质量控制方法，对类器官的质量、芯片的性能以及实验数据的可靠性进行严格评估和监测。例如，制定类器官的细胞组成、结构特征和功能指标等质量标准，建立芯片制造过程中的质量检测体系。

5.2.3 临床转化与应用推广

将这些技术从实验室研究转化为临床应用是未来的重要发展方向。虽然目前在疾病研究和药物研发方面已经取得了一些成果，但要真正应用于临床治疗还面临诸多挑战，如技术的安全性、有效性验证，临床操作流程的优化，以及法规政策的支持等。需要加强产学研医的合作，开展多中心临床试验，加速技术的临床转化进程，让这些先进技术能够造福更多患者。

随着科技的飞速发展，微重力培养系统、类器官以及类器官串联芯片技术逐渐崭露头角，为生命科学研究带来了前所未有的机遇。Kilby Gravity微重力培养系统能够模拟太空微重力环境，为细胞和组织的生长提供独特条件；类器官作为一种体外培养的微型器官，高度模拟真实器官的结构和功能；Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片技术则将类器官与芯片技术相结合，实现对类器官的精准操控和分析。微重力培养系统、类器官与类器官串联芯片技术作为生命科学领域的新兴技术，各自具有独特的优势和应用价值。发挥其在生命科学、疾病研究和药物研发等领域的应用，展现它们为相关研究提供的崭新技术手段和研究范式。

正如中国空间站的脑类器官实验所揭示的：在探索星辰大海的征程中，最精密的宇宙飞船或许正是人类自身。脑类器官芯片的空间站实验，不仅实现了《三体》中“脱水与复苏”的科幻场景在细胞层面的演绎，更标志着生命科学研究范式从“动物替人受苦”转向“人体自我模拟”的伦理与技术双突破。

北 京 基 尔 比 生物科技公司主营产品：

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