器官芯片定義、分類及基底材料選擇基本要求

2器官芯片定義、分類及基底材料技術要求本文件規(guī)定了器官芯片的術語、定義和基本分類、器官芯片基底材料技術要求。本文件適用于以三維活性組織結合微流控生物芯片系統(tǒng)作為生理病理研究、藥物研發(fā)體外模型的產(chǎn)品。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T27990生物芯片基本術語GB/T39514生物基材料術語、定義和標識GB/T16886.5醫(yī)療器械生物學評價第5部分：體外細胞毒性試驗YBB00112003-2015拉伸性能測定法3術語和定義GB/T27990、GB/T39514界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1微生理系統(tǒng)MicrophysiologicalSystem（MPS）微生理系統(tǒng)是一種體外模型，利用微尺度細胞培養(yǎng)平臺調控細胞生長的微環(huán)境和微流體流動條件，對人類或動物來源的特定組織或器官的功能特征進行體外建模，模擬其功能或病理生理狀況。3.2器官芯片Organ-on-a-chip器官芯片是微生理系統(tǒng)的一個子集，又名組織芯片，通過在微流控芯片上構建復雜的生理系統(tǒng)，結合組織工程與微加工技術，體外再現(xiàn)生物組織和器官的結構和功能，模擬生理微環(huán)境，以支持對組織形態(tài)、生理功能和代謝產(chǎn)物的觀測分析。3.3類器官Organoid類器官來源于組織中的一種或幾種細胞、胚胎干細胞或誘導多能干細胞，是一種體外的、自組裝的或自組織的、由干細胞發(fā)育而成的三維微組織或器官，模擬該器官的關鍵功能、結構和生物復雜性。3.4活性組織模型Livingtissuemodel由細胞構成的三維活性組織，能夠模擬特定器官或器官特定結構的功能作為體外模型。3.5芯片基材Chipsubstratematerial微流控芯片的基底材料，可用于制造微流道、細胞培養(yǎng)微腔室等。34分類按照芯片上活性組織模型所模擬的器官或器官特定結構的功能，能夠對器官芯片進行分類。根據(jù)不同器官的組織特性，選擇相匹配滿足生物相容性并支持相應功能的材料。4.1骨骼器官芯片含有活性骨骼組織模型的微流控芯片，芯片中活性骨組織模型主要由骨細胞、成骨細胞及破骨細胞等構成，活性骨組織模型應該形成骨骼的關鍵特異性功能或結構。4.2肝臟器官芯片含有活性肝臟組織模型的微流控芯片，芯片中活性肝臟組織模型主要由肝細胞等構成，活性肝臟組織模型應該形成肝臟的關鍵特異性功能或結構，包括肝臟的合成與代謝功能(以白蛋白合成及I期或II期代謝酶(如CYP450、UGT和GST)活性為特征)以及膽汁排泄功能的表達等。4.3腸道器官芯片含有活性腸道組織模型的微流控芯片，芯片中活性腸道組織模型主要由腸道上皮細胞等構成，活性腸道組織模型根據(jù)需求應模擬腸道的不同結構與功能（如絨毛結構、腸道蠕動、氧氣梯度、腸道微生物環(huán)境等），可用于研究腸道功能、藥物毒性和疾病機制。4.4肺器官芯片含有活性肺組織模型的微流控芯片，芯片中活性肺組織模型主要由肺泡上皮細胞等構成。模型應該模擬肺器官的氣-液界面結構和環(huán)境，還應該具有呼吸過程中肺泡的收縮/擴張功能，可用于藥物毒性和疾病機制研究。4.5腎臟器官芯片含有活性腎臟組織模型的微流控芯片，芯片中活性腎臟組織模型主要指腎小球模型或腎小管模型，活性腎臟組織模型根據(jù)需求應模擬腎臟的部分功能（如腎臟代謝能力、葡萄糖重吸收、內(nèi)分泌功能等），可用于研究腎臟功能、藥物毒性和疾病機制。4.6胎盤器官芯片含有活性胎盤模型的微流控芯片，芯片中胎盤模型通常具有半透膜結構，兩側分別接種滋養(yǎng)層細胞與血管內(nèi)皮細胞，以模擬懷孕期間為發(fā)育中的胎兒提供氧氣和營養(yǎng)并清除廢物等功能，芯片可用于研究發(fā)育過程、疾病發(fā)生發(fā)展機制、藥物毒性等。4.7骨髓器官芯片含有活性骨髓組織模型的微流控芯片，芯片中活性骨髓組織模型主要由造血干細胞、骨4髓脂肪組織和支持性基質細胞等構成，骨髓芯片應當模擬生理狀態(tài)下骨髓的微環(huán)境，并模擬骨髓的重要特征（如造血功能等）。4.8血-腦屏障器官芯片含有血-腦屏障組織模型的微流控芯片，芯片中活性血腦屏障模型通常由包含多種細胞類型的區(qū)間來模擬，一般由具有微米孔的薄膜隔開的兩個腔室組成，這些微孔允許分子自由交換，其中血管腔室中為腦血管內(nèi)皮細胞，而腦腔室由周細胞和星形細胞組成；也可由水凝膠基底材料作為腦血管內(nèi)皮細胞的支撐結構以形成完整的、連續(xù)的血管結構，且為周細胞和星形細胞提供三維的培養(yǎng)結構和環(huán)境。血腦屏障器官芯片應當模擬其屏障功能，具有高度選擇透過性,可用于藥物研究、疾病建模等。4.9心臟器官芯片含有活性心臟組織模型的微流控芯片，芯片中活性肝臟組織模型主要由心肌細胞等構成，心臟器官芯片應當促進心肌細胞的成熟及其與支持細胞的偶聯(lián)，且模擬心臟的標志性特性(如心臟收縮、分子運輸及對電刺激的特定反應等)，心臟器官芯片可用于研究心臟功能、藥物毒性和疾病機制。4.10血管器官芯片集成了氧氣供應系統(tǒng)（即血管）的器官芯片，通常采用內(nèi)皮屏障模型、血管形成模型、血管發(fā)生模型，以血管結構集成到器官芯片中。血管芯片可用于疾病研究、藥物篩選，也可用于多器官芯片互聯(lián)。4.11皮膚器官芯片含有活性皮膚組織模型的微流控芯片，芯片中活性皮膚組織模型主要由皮膚成纖維細胞、表皮細胞、黑素細胞等構成。皮膚芯片應當模擬皮膚的結構特征與屏障功能，可用于皮膚相關疾病研究、化妝品與外用藥研發(fā)及功效評價。4.12多器官芯片由多個相互連接的細胞培養(yǎng)微腔室與微流控單元組成，各腔室構成針對不同器官的組織模型培養(yǎng)微環(huán)境。多器官芯片分為兩種類型：通過連接多個單器官芯片或在一個芯片內(nèi)集成多個器官模型。多器官芯片中多個器官模型通過微流控通道直接或間接連接，模擬營養(yǎng)物質和代謝產(chǎn)物在體內(nèi)的傳輸過程，旨在模擬體內(nèi)多個器官之間的相互作用。多器官芯片的構建通常需要考慮各器官的體內(nèi)微環(huán)境特征以確定器官模型連接順序、通用培養(yǎng)基質、動態(tài)培養(yǎng)條件及各器官特異性血管網(wǎng)絡結構等。5注：包括符合前述器官芯片定義，但上文中未列舉的裝置。5器官芯片基底材料技術要求器官芯片基底材料應能夠支持芯片制造并保障細胞及組織生理活性。在這些基礎之上，促進組織模型復現(xiàn)相應器官的生理與病理結構、過程、功能等。5.1基底材料類型器官芯片基底材料通常包括但不限于玻璃、硅片、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、有機玻璃(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、纖維素紙，以及模擬細胞外基質的各類水凝膠等生物相容性好、無毒性、無致病性的材料。新型材料通過下述穩(wěn)定性、生物相容性等測試后，也可應用于器官芯片。5.2基底材料加工制造5.2.1基底材料應能夠通過光刻、3D打印等加工制造技術構建微尺度流道、活性細胞或組織培養(yǎng)腔室或基底，以提供活性細胞或組織生長所需微生理生化環(huán)境。5.2.2基底材料應能夠支持器官芯片特定功能單元集成（如電極、傳感器、半透膜等）。5.2.3基底材料制造獲得的微流控結構（包括流道、細胞