1. 介紹肺器官芯片微流控系統的發展歷史

人的肺在呼吸系統中起著氣體交換的重要作用。它們的海綿狀結構以肺泡亞單位的形式最大限度地增加了有用的表面積，在肺泡亞單位中，吸入的空氣和穿過一層薄薄的細胞膜的血管系統之間存在著氣液界面(ALI)。這種ALI是理解肺行為和病理的一個非常有趣的特征，因為正是在這里，異物和病原體經常首先接觸到身體。

雖然許多動物模型已被用于研究肺部疾病(Cardoso，2001；Matute-Bello等人，2008；Morrisey和Hogan，2010)，但它們與人類系統缺乏足夠的相似性，在基于動物的平臺上留下了可能的空白。80%通過臨床前動物試驗的藥物實際上并不能有效地治療人類預期的目標疾病，這一事實證明了這一點(Perrin，2014)。一個被稱為“埃羅姆定律”的趨勢描述了自1950年以來，美國食品和藥物管理局每百萬美元用于藥物研發的批準藥物數量如何每9年減少一半(Scanell等人，2012年)。這鮮明地提醒人們，生物學研究面臨著越來越大的挑戰，迫切需要改進方法。因此，使用人類細胞的體外平臺已成為動物模型的必要補充，如果不是替代的話，它除了帶來更高的生物相似性之外，還帶來了許多好處，例如高通量篩選的潛力、成本效益以及解決圍繞動物試驗的倫理問題。

然而，盡管有這些優點，從體內(動物)系統到體外系統的過渡也有明顯的缺點，其中最顯著的是細胞環境中復雜性的喪失。定義細胞發育和器官水平功能的生物力學線索是高度多方面的，很難在相對簡單的二維格式細胞培養上完全概括(Huh等人，2011年)。此外，僅從兩個維度研究細胞的事實就限制了與活體人類細胞的相似性。這些因素推動了3D細胞培養的發展，允許通過各種材料同時培養多種類型的細胞，以模擬體內的細胞外基質(ECM)(Kim和Rajagopalan，2010)。隨著微流控技術和設備的最新進展，3D細胞培養方法可以用一系列通用的技術來擴充，甚至可以進一步概括體外器官水平的功能。這些措施包括連續灌流培養液和對培養細胞施加可控的流體和固體機械應力，以重建體內的生物化學和生物力學微環境。從這種融合中誕生的設備被稱為芯片上的器官，并呈現出巨大的潛力，將徹底改變人類病理學的研究方式。要全面了解芯片上器官的總體情況，請單擊此處。微流體帶來的微流體能力對于肺的重現特別有趣，肺表現出高度機械的環境，尤其是因為呼吸導致組織拉伸時施加在細胞上的力。在這篇簡短的綜述中，我們從微流控設計和實現的角度討論了單芯片肺平臺的起源和發展。

2. 開創性的“芯片肺”

2010年，Huh展示了一種開創性的微流控設備，該設備此后定義了芯片肺平臺的發展方向(Huh等人，2010年)。在這里，我們將討論包含的創新設計特征，并簡要描述它是如何用于研究肺部行為的。該器件(圖1)由三層PDMS層組成：兩層具有平行的微圖案化通道，在其間然后是一層薄的多孔膜層。這種膜形成了兩室膜分離系統。細胞外基質被插入到腔室中，以覆蓋膜的兩側，以便隨后的細胞附著。在膜的一側種植肺泡上皮細胞，另一側種植血管內皮細胞。接下來，通過讓空氣通過上皮側腔室，基本上模仿了在人類肺泡中發現的結構和細胞組成，建立了ALI。雖然以前已經展示了重建這種肺泡屏障的系統，例如使用Transwell裝置(Yamaya等人，2002年)，但過去的裝置不能重建存在于該膜上的機械環境。HH的設備通過創新地使用與內皮和上皮通道平行的兩個橫向通道實現了這種機械刺激。通過對這些側通道施加真空，柔性的PDMS可以變形，以實現以生理上相似的幅度和頻率對細胞內襯的人工牙槽膜進行受控的循環拉伸。這種膜的拉伸是在細胞培養過程中進行的，并誘導上皮細胞層的仿生排列。

圖1：機械主動片上肺裝置。三層PDMS裝置由兩個中央腔室組成，由一層薄薄的多孔膜隔開，一邊種植肺泡上皮細胞，另一邊種植血管內皮細胞。氣液界面是通過在上肺泡通道中流動空氣來建立的。如圖所示，可以對側室施加真空，以使彈性PDMS壁變形，從而使膜變形。這起到單向拉伸細胞的作用，并模擬人體肺泡擴張和收縮過程中所經歷的拉伸。

從免疫學的角度研究了機械刺激對肺泡細胞行為的影響，以確定機械應變是否改變了肺泡細胞的行為。一種炎性細胞因子(腫瘤壞死因子-α，或腫瘤壞死因子-α)被引入血管通道(即膜內皮側的通道)。通過測量細胞間黏附分子-1(ICAM-1)的內皮表達，該小組可以監測在有和沒有機械驅動膜的情況下免疫炎癥反應的差異。在這一點上，免疫反應沒有可測量的差異。然而，在研究炎癥納米粒對LOC的反應時，膜拉伸成為一個重要因素。為了模擬納米顆粒的吸入，將空氣傳播納米毒性研究中常用的納米硅顆粒(Napierska等人，2009年)引入設備的肺泡通道(即膜上皮側的通道)。在這種情況下，根據膜是否經歷周期性、模擬呼吸、拉伸，免疫反應有明顯的差異。在這種機械驅動下，觀察到免疫反應增加，這也是用ICAM-1水平來確定的，以及與沒有拉伸的設備中測量的相比，納米顆粒的跨膜遷移增加。這些趨勢與在小鼠身上發現的納米顆粒反應以及長期以來關于納米顆粒與肺相互作用的毒性效應的研究是一致的。

3. 進一步開發肺器官芯片

這項關鍵性工作由Huh等人完成，自那以后確定了機械主動LOC平臺的方向。在這里，我們簡要討論一些其他的工作，這些工作是基于相同的技術重建細胞襯里的膜，如上所述，以及它們如何被用于各種生物學研究。
第一種，在2007年由Huh等人提出。實際上是上述裝置的前身，但值得討論的是它使用微流控工程來實現不同的結果。該裝置(圖2)(Huh等人，2007年)展示了相同類型的細胞線膜分離室，其中一個是“肺泡”充氣室，另一個是“血管”細胞介質充填室。雖然在這個模型中沒有周期性的膜拉伸，但研究小組研究了液體塞流的影響，液體塞流是一種生理現象，在COPD、哮喘、肺水腫和毛細支氣管炎等疾病中，隨著病理性粘液塞的傳播而發生(Cassidy等人，1999年)。使用這些微流體產生的液體塞子，研究小組能夠重建潛在的上皮細胞損傷，并更好地了解和聲學檢測方法。

圖2：液體插頭肺器官芯片模型。利用一種特殊的微流體通道幾何結構，液體塞可以產生并在多孔膜上的一層上皮細胞上繁殖。

雖然肺泡是更多研究和理解的重要部位，但它們只代表整個呼吸系統的一個部分。相反，Benam等人的設備在微流控芯片上重建了小氣道，這是肺中最小的傳導路徑(Benam等人，2015)。該裝置(圖3)還具有種植細胞的薄多孔膜，但關鍵的區別在于所選擇的細胞類型-細支氣管上皮細胞而不是肺泡上皮細胞。他們能夠研究小氣道對細菌和病毒的免疫反應，并很好地展示了這種膜分離型LOC設備的多功能性。

圖3：小氣道單芯片肺模型，利用種植在“空氣通道”中微孔膜上的細支氣管上皮細胞，相對“血液通道”中的一層內皮細胞。