多年來(lái)，器官芯片（organs-on-chips）一直保持著“經(jīng)典的”設(shè)計(jì)，但是由于近期的進(jìn)展，它們的設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加了。這類芯片---微流體設(shè)備，含有中空通道，活的人類細(xì)胞排列在這些通道中---如今包括肺芯片（lung-on-a-chip）、腸道芯片（intestine-on-a-chip）和血腦屏障芯片（blood-brain-barrier-on-a-chip）等。每種芯片基本上能夠重建兩種活的人類組織之間的功能性界面，其中一種組織與另一種組織（即血管細(xì)胞）并排分布著，含有提供用于維持生命的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng)液體，即這整個(gè)芯片模擬人體內(nèi)活器官的物理環(huán)境（如肺部中的呼吸運(yùn)動(dòng)，腸道中的蠕動(dòng)）。
盡管一些人提出這些芯片過(guò)于簡(jiǎn)化人體生物學(xué)組織，但是通過(guò)逆向設(shè)計(jì)器官結(jié)構(gòu)，這些芯片能夠重建復(fù)雜的器官功能，從而有助人們深刻認(rèn)識(shí)哪些是生命運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的，而哪些不是的。在一篇發(fā)表在2016年3月10日那期Cell期刊上標(biāo)題為“Reverse Engineering Human Pathophysiology with Organs-on-Chips”的評(píng)論性論文中，美國(guó)哈佛大學(xué)生物懷斯生物啟發(fā)工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）主任Donald Ingber描述了器官芯片如何提供一種強(qiáng)大的方法來(lái)分析器官功能和人類病理生理學(xué)特征，除此之外，還提供一種潛在的方法來(lái)取代動(dòng)物測(cè)試和加快個(gè)人化醫(yī)療開發(fā)。
Ingber說(shuō)，“我們并不試圖重建人器官。我們?cè)噲D開發(fā)針對(duì)人活細(xì)胞的培養(yǎng)環(huán)境，并且設(shè)計(jì)痕跡盡可能的少，這將誘導(dǎo)這些細(xì)胞重建器官水平的結(jié)構(gòu)和功能，從而模擬我們?cè)谌梭w中觀察到的生理學(xué)特征。”
Ingber將構(gòu)建人類器官模型視為一種系統(tǒng)層面的挑戰(zhàn)。盡管近期的類器官（organoids）進(jìn)展提供新機(jī)會(huì)在體外觀察和操縱人組織發(fā)育，但是科學(xué)家們能夠利用器官芯片研究多種不同類型的細(xì)胞和組織---包括上皮組織、血管內(nèi)皮組織、**細(xì)胞以及共生**和致病菌---如何相互溝通從而調(diào)控整個(gè)有機(jī)體內(nèi)的病理生理學(xué)過(guò)程。他說(shuō)，“生物體內(nèi)的溝通就是信息傳遞。無(wú)論它是否在分子、細(xì)胞、組織、器官或整個(gè)身體水平上，讓生命有意義的事情是這些信息在多種尺度下和多種復(fù)雜水平上進(jìn)行整合。”
比如，2010年Ingber與生物醫(yī)學(xué)工程師Dongeun Huh一起開發(fā)出的肺芯片開始于一種雙通道設(shè)備中兩種緊密并列的組織---一種為一層肺泡細(xì)胞，另一種為血管細(xì)胞：在這種設(shè)備中，這些肺泡細(xì)胞被空氣覆蓋著，含有人白細(xì)胞的液體持續(xù)地在血管細(xì)胞上流動(dòng)，這就非常類似于血液在我們身體的血管中流動(dòng)。這種肺芯片讓組織暴露在模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的周期性伸展和放松運(yùn)動(dòng)之中。利用這些肺芯片，研究人員能夠測(cè)量**性感染或空中懸浮微粒如何誘導(dǎo)損傷和炎癥，以及某些**如何引起體液進(jìn)入氣道從而導(dǎo)致肺水腫。*近，科學(xué)家們已證實(shí)利用從慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）病人體內(nèi)獲取的肺細(xì)胞構(gòu)建出的肺小氣道芯片能夠模擬病毒性或**性感染誘導(dǎo)的肺部炎癥惡化，類似于在COPD病人中觀察到的情形。
盡管只是拿肺部進(jìn)行象征性地說(shuō)明，但是在器官芯片上觀察到的生物學(xué)特征一直能夠復(fù)制在動(dòng)物和人類中觀察到的反應(yīng)。不同的器官芯片也可通過(guò)流動(dòng)液體連接在一起來(lái)模擬多種器官如何相互作用。來(lái)自這些實(shí)驗(yàn)的一些令人吃驚的發(fā)現(xiàn)在于在體外復(fù)制經(jīng)常被認(rèn)為具有復(fù)雜生物學(xué)特征的身體結(jié)構(gòu)時(shí)，人們所需的其實(shí)是那么少。
Ingber說(shuō)，“利用器官芯片，我們能夠?qū)煞N或三種組織組合在一起，然后加入**細(xì)胞或**。我們還能夠選擇性地修改每種控制參數(shù)，觀察會(huì)發(fā)生什么---每種參數(shù)單獨(dú)會(huì)如何起作用，它們一起時(shí)或不同組合時(shí)又如何起作用---我不知道還有任何其他的系統(tǒng)能夠讓我們?cè)诮M織或器官水平上利用人細(xì)胞做到這一點(diǎn)。”
利用干細(xì)胞技術(shù)將器官芯片組合在一起也為改善個(gè)人化醫(yī)療提供可能。比如，Ingber指出通過(guò)利用誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSC）制造病人組織，人們就可能利用這些組織細(xì)胞設(shè)計(jì)出的芯片篩選**，如果取得成功的話，就可能在相同的病人體內(nèi)測(cè)試這種潛在的**。這種類型的個(gè)人化**開發(fā)程序?qū)?huì)節(jié)省失敗的臨床試驗(yàn)中所花費(fèi)的**，從能有可能加快開出有益于病人的新藥。
Ingber說(shuō)，“器官芯片允許人們開展的研究更加類似于人體而不是在剛性的培養(yǎng)皿中研究動(dòng)物細(xì)胞或甚至人細(xì)胞。我認(rèn)為通過(guò)將器官芯片與誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞結(jié)合在一起，個(gè)人化醫(yī)療的概念就可能變成現(xiàn)實(shí)。”
