《Lab on a Chip》期刊2026年综述：芯片上血管化类器官——迈向灌注式与个性化模型

作者与发表信息 本文由来自法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国原子能和替代能源委员会、法国国家健康与医学研究院及IRIG研究所的Bianca Menzani, Priscille de Gea, Xavier Gidrol* 和 Emily Tubbs* 共同撰写，于2026年发表在《Lab on a Chip》期刊第26卷第1798-1819页。

综述主题与背景 本文是一篇关于“芯片上血管化类器官”领域的深度批判性综述。其核心议题是探讨如何将类器官技术与微流控器官芯片平台相结合，以构建具有功能性、可灌注血管网络的类器官模型，从而克服当前类器官技术面临的主要瓶颈，并推动其向更具生理相关性、功能化和个性化方向的发展。

类器官作为源自干细胞的三维自组装细胞结构，在模拟人体器官发育、生理和疾病方面展现出巨大潜力。然而，其广泛应用目前受到几个关键挑战的严重限制： 1. 不成熟性：体外培养的类器官往往停滞在类似胎儿的不完全成熟状态，缺乏成体器官的功能特征。 2. 缺乏功能性血管系统：这是最核心的瓶颈。在静态培养中，营养物质和氧气仅能通过扩散进入类器官，当直径超过约200微米时，核心区域便会因缺氧和营养不足而发生坏死，严重限制了类器官的生长尺寸、长期存活和功能成熟。 3. 批次间差异：培养条件的细微变化可能导致结果不一致。 4. 缺乏长程相互作用：难以模拟体内器官间或器官内远距离的细胞通讯（如神经环路、血管网络）。

微流控器官芯片技术通过提供可控的流体动力学环境、精确的物理化学信号和实时监测能力，为上述问题提供了潜在的解决方案。其中，血管化被视为提升类器官生理相关性的关键一步。建立稳定、具有管腔且可灌注的血管网络，能够实现对类器官的直接氧气和营养输送、促进代谢废物清除，并驱动其超越胚胎阶段的成熟。

本文旨在系统回顾为类器官在芯片上实现血管化的生物学原理、现有策略和技术考量，强调其在提升生理相关性、功能性能、个性化及转化应用潜力方面的前景。

主要论点与论据阐述

论点一：静态培养中的类器官模型存在固有局限性，其中缺乏血管灌注是阻碍其功能成熟的核心障碍。 作者首先剖析了传统静态培养下类器官的三大短板。 * 成熟度不足：转录组、表观遗传和功能分析表明，即使结构已具雏形，类器官的基因表达谱仍类似于早期胎儿组织。例如，肾脏类器官的转录谱与妊娠早期组织相似；肠道类类器官难以达到成体状态；脑类器官的神经元连接和功能性电路建立仍面临挑战。研究表明，将类器官移植到宿主动物体内可以显著促进其功能、形态和转录层面的成熟，这凸显了生理性微环境（包括血管系统）对发育的关键推动作用。 * 微环境互作受限：类器官培养高度依赖细胞外基质。常用的Matrigel存在批次差异和肿瘤来源的干扰。替代方案如脱细胞组织基质（dECM）能提供更接近天然的生化与机械信号，但其标准化仍是挑战。此外，机械特性（如刚度、粘弹性）对细胞命运和形态发生有决定性影响。虽然可以通过添加支持细胞（如成纤维细胞、内皮细胞）或使用生物打印等技术来增强局部微环境，但这些策略仍难以模拟依赖于长程连接（如脑区间连接）的相互作用。 * 缺乏血管系统：在静态培养中，扩散限制导致中心坏死。虽然通过持续搅动可以部分改善，但无法从根本上解决问题。当前的体外血管化策略（如图1所示）主要包括：（1）在类器官内共分化内皮细胞；（2）与内皮细胞共培养；（3）与独立的血管类器官融合形成“组装体”。然而，这些策略存在显著问题：使用非器官特异性的内皮细胞（如人脐静脉内皮细胞HUVECs）无法形成具有器官特异性功能的血管（如血脑屏障）；形成的血管网络往往不稳定、不可灌注，其功能成熟通常仍需依赖体内移植。近期发展的“重置”内皮细胞（通过瞬时表达ETV2转录因子重编程获得）和共分化策略展示了潜力，但依然面临可变性和复杂性的挑战。静态条件下的血管化策略无法重现生理性的组织灌注，因为其缺乏动态血流带来的关键机械和生化信号。

论点二：器官芯片技术为在体外实现类器官的功能性血管化和灌注提供了可控的动态平台，是弥补静态培养缺陷的必由之路。 作者指出，尽管取得了进展，但实现功能性血管化和持续灌注通常仍依赖于动物体内移植，这受到免疫排斥、物种差异、伦理和成本等因素的限制。器官芯片系统提供了一个可扩展、精确控制且符合伦理的替代方案。 * 类器官与器官芯片的互补性：类器官擅长复现发育自组织和多谱系结构的复杂性，而器官芯片则能精确控制细胞-细胞/微环境相互作用、营养灌注以及外部机械/电刺激。将两者优势结合，形成杂交系统，有望生成更忠实、功能更全面的人类组织模型。 * 血管芯片是基础：为了实现芯片上血管化类器官，必须首先建立和发展成熟的“芯片上血管”模型。当前主要有两种工程策略（如图2所示）： 1. 自上而下（管腔成型）策略：通过微针抽拔、牺牲模板、粘性指进或3D打印等技术预先制造微通道，然后在内壁铺覆内皮细胞，形成可立即灌注的“宏血管”（直径约100微米级）。优点是可精确控制几何形状和流量，缺点是难以模拟生理性的毛细血管尺度、血管重塑能力有限，且通道截面形状可能非生理。 2. 自下而上（自组装）策略：将内皮细胞和基质细胞共嵌入水凝胶中，在血管内皮生长因子（VEGF）梯度、间质流等信号引导下，细胞自发迁移、排列并形成管腔，生成“毛细血管样”的微血管网络（直径约10-50微米）。优点是能更好地模拟发育中的血管生成过程，形成更自然的网络结构；缺点是几何形状具有随机性，剪切应力分布难以预测。 3. 混合架构：结合上述两者，在预先内皮化的侧通道与中央水凝胶自组装毛细血管床之间，通过血管生成过程形成连接，从而构建具有生理层次结构的多尺度血管网络，这被认为是目前最有前景的方向。 * 血管芯片的关键考量与局限： * 细胞异质性：真实的血管网络是高度异质性的。仅包含内皮细胞的网络是不稳定且不成熟的。必须共培养周细胞、平滑肌细胞或间充质基质细胞，它们通过分泌因子和提供结构支持，对血管的稳定、屏障功能成熟和收缩调节至关重要。此外，内皮细胞具有器官特异性，使用通用内皮细胞（如HUVECs）无法完全复现器官特异的血管表型。 * 流体整合：生理性血流对于血管结构和功能至关重要。壁面剪切应力（0.1-2 Pa）调节内皮细胞行为，如基因表达、排列、通透性和分化。较高的剪切应力（>1 Pa）促进动脉特性，较低的（<0.5 Pa）促进静脉特性。间质流在引导血管生成出芽中也起关键作用。因此，在芯片系统中重现生理流动动力学对于构建具有预测性的血管化模型必不可少。 * 功能评估：需要结合结构和功能指标来评估网络成熟度。结构上使用CD31、VE-钙粘蛋白等标记物进行免疫荧光检测。功能上，通过灌注荧光葡聚糖或微珠来验证管腔连续性和可灌注性；通过测量荧光示踪剂跨内皮渗透性来定量评估屏障功能。芯片上的3D可灌注网络测得的渗透性系数更接近体内基准，显著优于传统的Transwell系统。

论点三：实现芯片上类器官血管化面临多重技术挑战，需要综合考虑空间定位、基质选择、培养基优化和血管整合机制。 将类器官整合到血管化芯片平台中并非简单叠加，作者详细阐述了其中的复杂性和当前策略。 * 血管整合机制（如图3所示）： 1. 血管生成：将类器官嵌入水凝胶中，邻近预先内皮化的通道。在VEGF等因子梯度引导下，内皮尖端细胞从通道出芽，向类器官迁移并可能侵入、与之吻合。 2. 流动诱导的自内皮化：对含有内源性内皮前体细胞的类器官（如中胚层来源的肾脏、心脏类器官）施加受控的流体剪切应力，可刺激其内部原始血管形成并向外生长。 3. 双向血管吻合：当预血管化的类器官与自组装微血管网络共培养时，内皮细胞可以从类器官内部和外部血管网络双向出芽，形成连续的、可灌注的网络。这是实现完全灌注的最理想机制，但在谱系特异性类器官中实现完全的血管内整合仍属罕见。 * 关键挑战与策略： * 空间定位：早期平台使用大的开放式水凝胶腔室，类器官位置随机，流体环境不均一。采用U型流体动力陷阱或微柱阵列等被动定位策略，可以将类器官固定在预定位置，实现可重复的剪切力调控和高内涵成像。 * 细胞外基质选择：类器官和血管网络通常需要不同的培养微环境。类器官常用Matrigel支持上皮组织分化，但其重塑能力差，不利于功能性血管网络形成。血管网络常在胶原或纤维蛋白基质中成功构建。因此，需要优化复合水凝胶（如纤维蛋白补充Matrigel）以同时支持两者生长。 * 培养基调制：内皮细胞培养基和类器官分化培养基的成分不同。需要滴定不同比例或使用序贯培养策略，以避免生长因子干扰。通常先单独生成类器官，再引入内皮细胞进行共培养。 * 实现灌注的难点：大多数研究报道的血管网络仅到达类器官周边或包裹其表面，很少能深入核心并建立功能性、可灌注的连接。这削弱了将血管化类器官芯片用作药物筛选模型的优势，因为药物或免疫细胞的输送依赖于生理相关的血管网络运输。

论点四：通过双向功能性吻合实现类器官内灌注是当前的前沿方向，其中组装体芯片策略为血管化非中胚层来源的类器官提供了有希望的模块化路径。 作者重点讨论了实现真正意义上类器官内灌注的最新进展和未来方向。 * 中胚层来源的可灌注类器官模型：一些研究在肾脏、心脏等中胚层来源的类器官中取得了突破。例如，Homan等人和后续的Kroll等人工作表明，在剪切应力刺激下，人诱导多能干细胞（hiPSC）衍生的肾脏类器官的内源性内皮细胞可以扩增、迁移，并与芯片上工程化的宏血管实现管腔对管腔的吻合，首次在体外实现了对肾脏类器官微血管系统的可控灌注。另一项关于hiPSC来源的心脏微组织的研究也展示了预血管化组织与外部网络的双向整合，形成支持颗粒灌注的管腔化杂交血管。 * 组装体芯片策略（如图5所示）：对于缺乏内源性内皮前体细胞的大多数内胚层或外胚层来源的类器官（如肝、胰、脑类器官），实现血管化更具挑战性。一个极具前景的策略是利用“组装体”概念，即将目标类器官与一个独立的血管类器官（Blood Vessel Organoid, BVO） 在芯片上共培养。BVO能提供一个自组织的内皮-周细胞隔室。Quintard等人的研究证明，hiPSC衍生的BVO在微流控设备中能与外部自组装血管床在血流动力学条件下实现功能吻合，使得示踪剂能够灌注通过类器官内部的毛细血管系统。这为血管化非中胚层类器官提供了概念验证。 作者提出了两种具体的实施策略： 1. 芯片外预融合：先将BVO与目标类器官在静态培养中融合，使血管出芽与实质建立内部连接，然后再加载到芯片中。优点是血管接近性立即建立，灌注开始早，可减少早期培养阶段的缺氧压力。 2. 芯片上直接共培养：将BVO、目标类器官以及内皮/基质细胞悬浮液共同引入芯片的共享水凝胶腔室中。在持续灌注下，血管生成芽从两侧向类器官生长并逐渐吻合。优点是能充分利用芯片微环境的生物力学引导和动态重塑。 组装体芯片策略提供了一个灵活、可适配的框架，有望将灌注能力扩展到无法自主生成血管的类器官类型。

论点五：血管化类器官芯片领域已超越概念验证阶段，但迈向标准化、器官特异性、个性化及多器官互联的预测性人类替代模型仍面临挑战与机遇。 在讨论部分，作者总结了该领域的现状与未来展望。 * 当前挑战： * 标准化缺失：在细胞来源、水凝胶、培养基、流体参数等方面缺乏统一标准，限制了结果的重复性和可比性。 * 细胞来源的局限性：广泛使用的HUVECs存在供体差异、非器官特异性等问题。未来的方向是使用hiPSC来源的、具有器官特异性表型的内皮细胞和基质细胞。 * 血管成熟与稳定：缺乏生理性剪切刺激和细胞异质性的体外血管容易回归到胎儿样基因表达和渗漏表型。 * 复杂血管架构的控制：难以在类器官内外实现连续、定向的流动控制。 * 未来方向与价值： * 个性化与疾病建模：构建完全自体（患者特异性iPSC来源）的血管化类器官系统，将血管、基质甚至免疫区室都与患者基因型匹配，可推进精准医疗背景下的疾病建模和药物测试。这对于研究微血管功能障碍起关键作用的疾病（如糖尿病微血管病变、血脑屏障损伤、肿瘤血管化）尤其有价值。 * 功能研究与药物开发平台：芯片上的血管化平台支持定量评估屏障完整性、血管生成、免疫细胞迁移、内皮机械转导、剪切力对类器官成熟的影响等。它允许可控地递送治疗药物、纳米颗粒或细胞因子，评估其渗透、运输和积累，这对于临床前筛选和机制性疾病建模至关重要。 * 多器官芯片与系统生理学：通过可灌注的血管桥接多个类器官，构建相互连接的多器官芯片平台，可以更真实地复现人体系统生理学，模拟ADME过程、系统性免疫反应和器官间通讯，从而提升药物毒性和疗效评估的准确性。 * 转化与监管意义：作者指出，人类血管化类器官系统的转化相关性正开始得到监管层面的认可。已有报告称，使用人类血管化类器官模型生成的疗效数据，支持了首个获得FDA研究性新药（IND）接受的申请，这凸显了其在早期治疗开发中补充甚至部分替代动物研究的潜力。 * 3R原则贡献：目前，这些平台主要通过支持人类相关病理的机制研究来促进“减少”和“优化”，未来可能逐步在人类特异性反应无法在体内充分复现的疾病领域实现“替代”。

综述的意义与价值 本综述系统、批判性地梳理了芯片上血管化类器官这一快速发展的交叉领域。它不仅详细阐述了当前的技术瓶颈（如静态培养的局限、血管芯片的构建挑战、类器官整合的困难），更重点展望了通过双向吻合和组装体芯片等策略实现功能性灌注的未来路径。文章强调了标准化、器官特异性细胞来源、个性化建模以及多器官集成的重要性，为领域内的研究人员提供了清晰的技术路线图和未来发展方向。其价值在于整合了干细胞生物学、微流控工程和生物材料学的前沿知识，指出将类器官的自组织复杂性与器官芯片的动态控制能力相结合，是生成高保真、功能化人类组织模型，并最终推动再生医学、疾病建模和药物开发的关键策略。