器官芯片与生物传感器集成平台在细胞及微环境监测中的研究进展

作者及机构
本文由Wei Yang、Tengyun Li、Shufei Liao、Jianhua Zhou（通讯作者）和Lu Huang（通讯作者）合作完成，作者团队来自中山大学深圳校区生物医学工程学院及广东省传感技术与生物医疗仪器重点实验室。论文于2024年1月30日在线发表于期刊《Trends in Analytical Chemistry》（卷172，文章编号117569）。

研究背景与主题
器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）是一种通过微流控技术模拟人体器官解剖与生理功能的体外模型，具有微型化、低试剂消耗和精准可控等优势，在疾病研究、药物开发和个性化医疗中潜力巨大。然而，要实现OOC的精准控制，需集成生物传感器以实时监测细胞（如代谢、功能及刺激响应）及其微环境（如离子浓度、氧含量等）。本文系统综述了生物传感器集成OOC平台的最新进展，涵盖传感器工作原理、集成技术、应用场景及未来挑战。

主要内容与观点

1. 生物传感器集成OOC的分类与应用
   根据监测目标，生物传感器集成OOC分为三类：

   • 细胞监测：重点追踪细胞代谢（如葡萄糖、乳酸）、功能标志物（如肌酸激酶CK-MB）及机械刺激响应（如拉伸诱导的一氧化氮NO信号）。例如，电化学传感器通过氧化还原反应检测代谢物，而光学传感器（如表面等离子体共振SPR）可实现无标记蛋白检测。
     
   • 微环境监测：包括pH、溶解氧（DO）、温度和渗透压等参数。例如，电化学Clark型传感器可长期稳定监测氧浓度，而电阻温度传感器（RTD）能精准追踪培养环境温度波动。
     
   • 细胞与微环境同步监测：通过多传感器联用揭示复杂交互作用。例如，在肠屏障芯片中同时监测跨上皮电阻（TEER）和Hg²⁺吸收，以评估药物毒性。
     

2. 生物传感器类型与技术对比

   • 电化学传感器：最常用，灵敏度高（如CK-MB检测限达2.4 pg/mL），但需表面修饰且易饱和。
     
   • 电学传感器：用于TEER测量，无标记且高通量，但易受环境干扰。
     
   • 光学传感器：如荧光和磷光传感器，抗干扰能力强，适合长期监测（如氧浓度检测）。
     
   • 机械传感器：通过柔性聚合物丝或碳纳米管应变传感器测量组织收缩力，填补力学信号监测空白。
     

3. 疾病研究与药物开发中的应用实例

   • 疾病机制：如肠道微生物互作模型（HUMIX）集成TEER和光学传感器，揭示缺氧与炎症关联。
     
   • 药物筛选：肺癌芯片通过TEER和pH传感器实时评估抗癌药物（如阿霉素）的细胞毒性，数据与终点分析法一致，但效率更高。多器官芯片（如心-肝联用平台）可同步监测药物对不同器官的毒性标志物（如GST-α和CK-MB）。
     

4. 挑战与未来方向

   • 技术瓶颈：传感器响应速度、长期稳定性（如电极生物污染）及多传感器集成对微环境的干扰。
     
   • 人工智能整合：AI可优化数据解析（如卷积神经网络分析细胞运动轨迹）并实现闭环控制，推动OOC向智能化发展。
     
   • 标准化与模块化：需开发可替换传感器模块以应对复杂实验需求。
     

研究意义与亮点
本文的价值在于：
1. 系统性综述：首次按监测目标分类梳理生物传感器集成OOC，为研究者提供清晰的技术路线图。
2. 跨学科创新：融合微流控、材料科学和生物传感技术，提出“智能OOC”概念。
3. 应用导向：通过癌症模型和药物毒性案例，验证多传感器联用在转化医学中的潜力。

重要发现与新颖性
- 纳米复合材料（如Au@MnO₂/MoO₃）修饰电极可将HSP70检测灵敏度提升至飞摩尔级。
- 柔性阻抗传感器（如MITO系统）能在呼吸运动下实时监测肺泡屏障电阻变化，突破传统电极距离限制。
- 人工智能将加速OOC从数据采集到闭环控制的范式变革，如强化学习调控微流体参数。

结语
生物传感器集成OOC平台正推动体外模型向高仿生、动态监测方向发展，其跨学科特性将为精准医疗和药物开发提供革命性工具。未来需聚焦传感器稳定性、标准化及AI融合，以实现在临床前研究中的广泛应用。