Introduction
天然产物一直以来被视为临床药物开发的宝库，同时也是新药研发过程中先导化合物的灵感来源。然而，天然产物的含量通常较低，因此发现和开发过程显得耗时且成本高昂。药物评估主要涉及对新开发药物的活性成分、理化性质、药理作用、药物代谢、安全性以及药用价值进行系统研究与评价，旨在为初步验证其临床疗效和安全性提供基础，以确保公众免受不安全、无效或双重风险的药物伤害。传统的二维细胞培养和动物模型在总结人体生理病理方面存在严重局限性，无法精确预测药物在人体内的真实反应，从而给药物评估带来了挑战和障碍。因此，迫切需要一种方法，能够最大程度地保持与人体生理相似，长期培养能够多次重复给药，并具备高通量、经济，以及灵敏的特性，以便动态监测，从而能够有效发现、分析和优化可靠的天然候选药物。
不同组织的体外模型，其中包括连续灌注的细胞生长腔室、多细胞结构、组织与组织的界面，以及稳定可控的理化微环境和细胞培养液灌注。与传统的细胞培养方法相比，器官芯片通过整合细胞培养和微流控单元，实现了细胞高分辨率实时成像以及细胞的生化、遗传和代谢活动分析，在预测能力、制造成本、操作复杂性、测试持续时间、伦理问题等方面表现出优于传统动物模型和细胞模型的显著优势，有望为弥合体外评估模型和体内病理生理复杂性之间的差距提供了令人振奋的应用潜力。目前，器官芯片作为探索性研究领域，展示了在开发人类疾病模型方面的潜力，有助于更好地评估天然药物的功效和毒性，同时也促进了药物作用机制的研究。近年来，天然产物的开发与利用与器官芯片技术结合成为研究的热点，研究者们希望通过这种结合构建出新型药物测试平台，能够直接预测人类生理反应。
中国药科大学邓大伟教授课题组综述了基于微流体系统的器官芯片的发展历程，以及不同人体单器官芯片在天然药物筛选与评价中的研究进展（图1），这些进展为开创下一代天然药物评估平台提供了新的范式。并讨论了将器官芯片开发成为天然药物研发工具所面临的机遇与挑战，希望为推动天然产物的开发和个性化医疗提供新的思路与方法。
图1 用于药物评估和筛选的器官芯片示意图
Results and discussion
OoC可以被广义地定义为用于体外模拟人体器官的功能单元的微型细胞培养装置。21世纪初，Mike. L. Shuler首次提出利用人体不同器官的细胞在芯片上构建人体组织以模拟人体环境的概念[1]。其中，最具代表性的是2010年由Huh等人制作的肺芯片，首次引入了OoC的概念并引发了广泛关注[2]。随后几年，肠芯片、肝芯片、脑芯片、肾芯片、血管芯片、皮肤芯片和骨髓芯片等相继成功构建。过去的十年间，OoC经历了革命性的发展，并在疾病建模、疾病进展研究、药物发现、风险评估和转移调查等领域得到了广泛应用。迄今为止，研究者们已经为人体几乎所有器官开发了单器官芯片，这些器官芯片可以提供一个具有强大功能且小型化的平台来解释疾病的的发生机制和进展。在本综述中，重点介绍了几种具有代表性的器官芯片，并探讨它们在测试与评估天然产物给药途径方面的最新进展。这些进展主要集中在疗效、毒性（包括药物的直接毒性和与药物代谢产物相关的间接毒性）、以及代谢评估等方面。
1.脑和血脑屏障芯片
人脑结构和功能的复杂性为神经药物的开发提出了挑战。脑血管不仅能向中枢神经系统（CNS）提供营养和氧气，还能阻止潜在神经毒性物质进入脑内，这一功能性屏障结构被称为血脑屏障（BBB）。BBB是一种多细胞屏障，它有选择地控制药物进入中枢神经系统(CNS)，防止其接触血源性神经毒性物质，并维持体内平衡以实现最佳脑功能，同时也在疾病的发生与发展中发挥重要作用。然而，正是由于血脑屏障对大多数化合物的低渗透性，为新血脑屏障药物的发现和其他药物的神经毒性评估带来了挑战。为了更好地研究血脑屏障的相关机制和药物在体外通过血脑屏障的作用，研究人员利用芯片平台开发了血脑屏障芯片模型。
Booth 等人设计并制造了一种带有聚二甲基硅氧烷（PDMS）层的血脑屏障芯片（mBBB），该芯片提供了一个动态环境，模拟体内血脑屏障的特性[3]。在微血管膜两侧共同培养内皮细胞和星形胶质细胞，以预测右旋糖酐和碘丙胺的输送率。结果表明，他们开发的 mBBB 系统是研究血脑屏障功能和药物递送的有效模型，有望用于临床前药物测试（图2A）。其中，右旋糖酐是一种从天然高分子多糖中得到天然产物，该芯片为天然药物在血脑芯片内进行药物评估提供了新的思路。
2.肝脏芯片
肝脏作为人体腹腔最大的器官，它的主要功能是代谢，在体内解毒、储存糖原和合成分泌蛋白方面也起着核心作用。解毒过程可导致药物性肝损伤(DILI)，造成急性、慢性肝脏疾病，导致药物退出市场，是药物开发中的一个重大安全问题。传统的肝脏模型受到许多局限性的困扰，作为实质器官，肝细胞不断暴露于丰富的外源性物质中，它们对药物的敏感性较低。此外，在目前的体内动物模型中观察高度动态的生物过程是不方便的，甚至是不甚准确的。在这方面，器官芯片可以再次提供有用的工具来模拟肝脏的功能和结构统一，包括物理和化学刺激。
Li等人在多层微流控系统的基础上，构建了肝脏-肿瘤共培养模型。在芯片顶室中培养肝细胞模拟肝脏组织进行药物代谢，在区隔化的底部通道中培养三种类型的细胞，代表不同的肿瘤组织和正常组织[4]。他们利用该肝脏芯片对人参皂苷及其代谢物进行分析检测，并评估人参皂苷对不同细胞的生物活性影响（图2D）。该研究证明了区隔化芯片装置在天然产物抗癌活性测试中的实用性，以简单可靠的方式促进了仿生模型中的药物发现和药物筛选应用。
图2 用于药物筛选的脑芯片和肝芯片
3.肠芯片
肠道负责消化，是口服药物的主要吸收部位。早期对动物模型的依赖是开发包括天然产物、生物制剂等在内的新型口服治疗药物有效配方的主要障碍。除了与使用这种动物模型相关的固有伦理问题外，它们往往不能准确预测人体组织对口服药物的反应，在转化特性和基因组不稳定性方面存在缺陷。由于上述原因，具有更好的仿生复杂性的人体肠道芯片已经引起了大量的关注。在过去的5年里，肠道器官芯片模型的设计越来越复杂，其中也包括由人类微血管内皮、共生微生物、免疫细胞和致病菌排列的邻近通道，并且应用循环机械力来模拟活体肠道在体内经历的蠕动样变形。
许多天然药物口服给药效率不高，因为它们受到胃肠道溶解度和渗透性低的影响。在过去的十年里，肠体外模型从传统的二维细胞培养到３Ｄ细胞培养，再到多细胞共培养形成类器官模拟肠屏障和肠吸收功能，最后发展到利用微流控芯片技术模拟肠腔蠕动与类器官结合构建体外肠器官芯片用于药物筛选和机制研究。
Pocock等人使用肠道芯片制备Caco-2细胞单层，其具有三维起伏的绒毛样表面，并表现出紧密连接和微绒毛。他们利用该模型研究了化疗药物sn38 (7-乙基-10-羟基喜树碱) 亲脂性前药的渗透参数和结构通透性，证明亲脂性前药可以帮助解决低口服生物利用度问题（图3C）[5]。该模型通过更好地模拟生物屏障功能，改进了传统的Caco-2-Transwell方法，为药物的低口服生物利用度问题提供了一个潜在的解决方案。这些模型也适用于其他天然产物或纳米制剂的生物利用度研究。值得一提的是，对组织作为类器官的结构和功能的有效概括可以帮助预测患者的反应，从而进行精确的药物筛选和进一步的个性化药物验证和治疗。
图3 用于药物筛选的肠芯片
4.肺芯片
肺作为人体的呼吸器官，主要负责体内的气体交换。近年来，由于吸烟过度、空气污染等原因，肺部疾病患病人数日益增多。其中，肺癌因其高复发率、易转移和耐药倾向而成为癌症相关死亡的主要原因，而治疗肺癌的药物往往也会有很大的肺毒性，这为制定有效治疗干预措施增加了复杂性和难度。作为最早提出和开发的器官芯片系统之一，肺芯片不仅可以应用于肺水肿、肺血栓、病毒感染等疾病的模型开发和药物评估，还涉及肺部肿瘤的模型构建和药物评估。
Yang等构建了肺上的单芯片，并使用聚（乳酸-共-乙醇酸（PLGA）电纺纳米纤维膜作为芯片基质和细胞支架[6]。在该肺芯片上，他们对人非小细胞肺癌细胞（A549）和人胎肺成纤维细胞（HFL1）进行了细胞培养和共培养，并评估了以表皮生长因子受体（EGFR）为靶点的抗肿瘤药物吉非替尼的毒性。此外，Yang等人还发现了HFL1细胞分泌的胰岛素样生长因子-1（IGF-1）在药物抑制EGFR相关信号通路后，可以通过激活PI3K/Akt信号通路继续维持肿瘤细胞，从而导致肿瘤细胞对化疗药物的敏感性降低，使A549细胞与HFL1细胞共培养时产生耐药性（图4D）。该单芯片肺是简单，便捷且易于操作的，有望在肺肿瘤的个性化治疗中以及其他临床治疗和组织工程中发挥潜在作用。
图4 用于药物筛选的肠芯片
conclusion
综上所述，器官芯片作为一种最先进的体外模型，可以为疾病建模和评估新药提供新的、更具预测性的方法，这有助于促进临床试验设计和提高药物筛选的成功率。虽然目前的器官芯片仍然面临着从学术界到工业界的许多挑战，比如该技术的发展需要大量的时间与成本、缺乏标准化的模块化格式以及缺乏患者特异性器官芯片模型以用于更精准的个性化医疗等，但随着不同研究领域的研究人员之间的合作将继续推动这以变革领域的创新。总的来说，器官芯片为开发多种活性天然产物提供依据，为下一代天然药物评估提供了新的范式，我们相信OoC系统将在未来成为疾病建模和个性化医疗的重要工具。
参考文献
[1] Yan, J., Li, Z., Guo, J., et al. Organ-on-a-chip: A new tool for in vitro research [J]. Biosensors and Bioelectronics, 2022, 216: 114626. https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114626.
[2] Huh, D., Matthews, B. D., Mammoto, A., et al. Reconstituting organ-level lung functions on a chip [J]. Science, 2010, 328(5986): 1662-8. https://doi.org/10.1126/science.1188302.
[3] Booth, R., Kim, H. Characterization of a microfluidic in vitro model of the blood-brain barrier (muBBB) [J]. Lab Chip, 2012, 12(10): 1784-92. https://doi.org/10.1039/c2lc40094d.
[4] Li, Z., Li, J., Sun, M., et al. Analysis of metabolites and metabolism-mediated biological activity assessment of ginsenosides on microfluidic co-culture system [J]. Front Pharmacol, 2023, 14: 1046722. https://doi.org/10.3389/fphar.2023.1046722.
[5] Pocock, K., Delon, L., Bala, V., et al. Intestine-on-a-Chip Microfluidic Model for Efficient in Vitro Screening of Oral Chemotherapeutic Uptake [J]. ACS Biomater Sci Eng, 2017, 3(6): 951-9. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.7b00023.
[6] Yang, X., Li, K., Zhang, X., et al. Nanofiber membrane supported lung-on-a-chip microdevice for anti-cancer drug testing [J]. Lab Chip, 2018, 18(3): 486-95. https://doi.org/10.1039/c7lc01224a.
作者简介：
第一作者
王新，女，目前在中国药科大学邓大伟教授课题组攻读博士。主要研究方向为基于天然植物化合物递送体系的构建及其生物医学应用；复合递送系统在天然植物化合物生物利用度研究中的应用与优化。参与国家重点研发计划，主要工作为肠道微环境响应的天然植物化合物靶向递送技术体系构建。
通信作者
邓大伟，男，教授，博士生导师，博士（分析化学，南京大学），江苏省杰出青年基金获得者（2019年），江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次培养对象（2022年），教育部新世纪优秀人才，获教育部自然科学二等奖（3/7）。江苏省第十二批/十三科技镇长团泰州医药高新区团长，中国药科大学工学院生物医学工程与诊断药学系系主任，中国药科大学学术委员会委员，科技部国家重点研发计划纳米专项会评专家，国自然-通讯评审专家，中国光学学会生物医学工程专业委员会青年委员，医疗器械与药学装备专业委员会青年常委，江苏省生物医学工程学会多个专业委员会副主任委员或委员。目前，主要从事生物相容性好的药用纳米材料合成、表征与生物应用研究。作为项目负责人先后承担国家自然科学基金三项，省部级基金七项，横向课题三项；发表SCI检索科研论文近60篇（一作和通讯作者），影响因子累积超200；SCI他引约1500次（H因子为20），其中包括Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Nano lett.和Adv. Mater.等高影响力期刊论文正面引用。并被多个国际著名期刊如Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., Small, Chem. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, 和Nano Research等邀为审稿人。
论文网址：
https://www.sciopen.com/article/10.26599/FMH.2024.9420013