Adv. Mater.：水凝胶介导的类器官和器官芯片研究进展

来源：X一MOL资讯

生命科学领域的快速发展不断催生新的技术，使得人们可以更好地了解自我，以最终攻克人类复杂疾病。类器官和器官芯片是近年来发展起来的新兴前沿技术，是依据不同原理在体外形成的人体3D器官模型系统。它们有望可以克服传统动物模型的一些局限，在发育生物学、疾病研究、新药研发和再生医学等领域具有重要应用前景。简言之，类器官（organoids）是一种通过细胞自组织形成的复杂三维结构，可以体外重现具有来源组织器官的特定结构和功能，2017年被Nature Methods 杂志评为年度技术。器官芯片（organs-on-a-chip）则是基于生物工程原理通过人工构建的一种器官生理微系统，在体外模拟人体器官的主要功能单元和复杂组织器官间联系，被2016年达沃斯论坛列为“十大新兴技术”之一。

随着生物材料领域的快速发展，以水凝胶为代表的生物功能材料为类器官和器官芯片领域研究提供了新的机遇。水凝胶是一种含水量较高的聚合物，其组成相对明确，大多具有可调的物理化学性质和良好的生物相容性，可以作为仿生的3D细胞外基质，用以模拟复杂细胞组织微环境, 并引导多种细胞行为（如细胞黏附、迁移、增殖和分化等），是近年来组织工程、3D打印和器官制造等关注的焦点，也为构建功能化类器官和器官芯片模型系统提供了新的途径。

近日，中国科学院大连化学物理研究所秦建华研究员及其团队在Advanced Materials 上发表题为“水凝胶介导的类器官和器官芯片研究”（Advances in Hydrogels in Organoids and Organs-on-a-Chip）的进展报告。文章首先概述了各种水凝胶的主要特性（包括天然、合成和杂化水凝胶等类型），以及多种水凝胶模块的制备方法和选择性特点；重点介绍了水凝胶材料在构建干细胞衍生类器官和器官芯片系统中的最新研究进展。最后，针对当前类器官和器官芯片研究面临的主要问题，提出了基于水凝胶材料建立组织器官模型的策略性指导和可能的解决方案，并对未来发展方向进行了展望。

本文作者从几个方面探讨了水凝胶的主要理化特性（成分、结构和软硬度等）对类器官分化、形成的影响。依据体内组织器官发生特点，干细胞微环境（包括各种理化因素）对类器官的发育和形成至关重要，这些因素直接影响、调控细胞命运分化，以形成不同细胞类型，并进行自我组织。目前体外类器官的3D培养介质大都依赖于动物源性的细胞基质（如Matrigel）。

由于这类细胞基质成分不确定，批次差异性大，性质不可调，导致类器官形成过程难以控制，类器官的一致性欠佳。因此，选用成分确定或人工合成的具有可调理化特性的水凝胶材料，有利于解决上述问题。

此外，器官芯片技术已被用于构建多种缩微的器官模型，如肝、肾、肠和肺等。这些体外模型在研究人体器官生理或病理过程、疾病模型和药物评价等方面已显示出应用潜力。水凝胶由于其亲水性和可控的理化特性，可通过改性等处理来减少传统芯片材料对小分子或药物的吸附性，提高器官芯片模型预测药物的准确性。其次，水凝胶材料还可与芯片集成形成复杂血管网络，并作为细胞3D支架或生物膜界面用于体内实质性或屏障类组织界面的构建，利于在芯片上建立关键组织器官功能单元。 

总之，水凝胶与两种新兴前沿技术的结合，有望产生具有高度生理相关的器官模型系统，在生物医药等领域发挥重要作用，以指导个性化精准医疗。未来，仍需要化学、生物、材料和工程等多学科领域研究人员的共同努力，以加速推进其在生物医药领域的转化应用。 

中科院大连化学物理研究所秦建华研究团队主要致力于微流控器官芯片与生物医学的前沿交叉研究，已在生物功能材料、工程化3D组织器官、疾病模型构建、以及干细胞与类器官芯片研究等方面取得系列重要进展，为组织器官发育、疾病研究、药物研发和再生医学等领域提供了新的策略、方法和平台。