2019 年“世界愛眼日”前夕,，世界衛(wèi)生組織發(fā)布的全球首份《世界視力報(bào)告》指出,，當(dāng)前全球有超 22 億人視力受損或失明，其中有超過 10 億人是由于近視,、遠(yuǎn)視,、青光眼和白內(nèi)障等未能得到必要治療所致。

眼科疾病已然成為影響生活質(zhì)量的一大危險(xiǎn)因素,，更安全有效的治療以及給藥方式備受期待,。在此過程中，構(gòu)建仿真度更高,、更接近機(jī)體環(huán)境的的臨床前眼科疾病模型對(duì)于了解病因,、病理、疾病進(jìn)展以及創(chuàng)新型療法至關(guān)重要,。

近日,，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱“先進(jìn)院”）醫(yī)工所楊慧研究員課題組的最新研究報(bào)告了，基于微流控技術(shù)的人眼角膜器官芯片,，并在該芯片上驗(yàn)證干細(xì)胞外泌體對(duì)于人眼角膜損傷修復(fù)的效果,。研究發(fā)現(xiàn)源自骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體能夠明顯加速輕度角膜上皮傷口的愈合。相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)表于 iScience 上,。

 （來源：iScience）

在研究中,，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)由人角膜細(xì)胞和多孔膜組成的微流控平臺(tái)，復(fù)制了多尺度結(jié)構(gòu)組織和生物表型,。同時(shí)還在芯片上驗(yàn)證了完全集成的人角膜屏障效應(yīng),，以及外泌體的修復(fù)效果。

論文中指出,，這項(xiàng)工作在體外高度還原人眼角膜生理特性和動(dòng)態(tài)特征,，有潛力用于評(píng)估外泌體應(yīng)用于眼角膜修復(fù)這一新型治療方法。

“該研究提高了在體外模擬人角膜與外界相互作用的能力,，更有助于搭建針對(duì)眼科疾病等藥物篩選平臺(tái),。”楊慧說。

圖|楊慧研究員（來源：受訪者提供）

楊慧在瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位并從事博士后研究,，期間主要從事微流控與微納米器件相關(guān)研究,，還曾在歐洲微電子研究中心從事微納米技術(shù)和生物傳感器的研發(fā)及項(xiàng)目管理。2017 年，楊慧加入先進(jìn)院并組建生物醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)與納米器件課題組,，開展相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用轉(zhuǎn)化工作。

她現(xiàn)在的重點(diǎn)研究方向是微納流控技術(shù)和生物微機(jī)電系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究,，包括基于細(xì)胞外囊泡,、外泌體等新型生物物質(zhì)的精準(zhǔn)診療方案，生物單分子檢測(cè)與成像技術(shù),。

“微系統(tǒng),、納米器件與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的交叉有其深層的原理。細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位,，亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)直至生物分子,，又在細(xì)胞內(nèi)行使生命活動(dòng)功能，這些物質(zhì)最終揭示生命的本質(zhì),，對(duì)他們進(jìn)行深入研究,，必須具備相同尺度的工具。正如丈量桌子可以用米尺,，丈量這些微米直至納米的生命物質(zhì),，同樣需要相同尺度的工具。這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)生物或醫(yī)學(xué)樣本的精準(zhǔn)操作,、測(cè)量,、甚至工程改造，以及對(duì)深層科學(xué)原理的探究,。”楊慧解釋道,。

構(gòu)建完整人角膜芯片，或?yàn)槎喾N眼科疾病提供平臺(tái)性技術(shù)

外泌體是一類由真核細(xì)胞分泌的細(xì)胞外納米級(jí)囊泡,，能夠介導(dǎo)細(xì)胞間的信息交流,。有研究證實(shí)外泌體具有來源細(xì)胞的生物學(xué)特征，以干細(xì)胞外泌體為例,，其具有分化再生,、低免疫原性、抗炎舒緩作用以及移植后存活率高等特點(diǎn),。

外泌體與生物醫(yī)藥的診療密切相關(guān),，其本身具有治療特性，同時(shí)又是非常好的疾病診斷生物標(biāo)志物,?！?/span>從物理尺度來看，微米尺度和納米尺度以100納米進(jìn)行區(qū)分,，在百納米尺度會(huì)出現(xiàn)一些新的物理機(jī)制和效應(yīng),。而外泌體約為百納米級(jí)別，這一尺度上的契合，使得微納米系統(tǒng)具備天然研究外泌體的優(yōu)勢(shì),。外泌體會(huì)是 Cell-Free Therapy（無細(xì)胞治療）的關(guān)鍵方式,。”

自2017年以來，楊慧課題組一直在探索微納米和納米器件在生物醫(yī)學(xué)及醫(yī)藥領(lǐng)域的價(jià)值,，尤其是在外泌體等新型生物物質(zhì),。其中，一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景便是在眼科疾病領(lǐng)域,，包括眼表疾病以及眼底疾病等,。

為了驗(yàn)證外泌體對(duì)于眼角膜損傷的修復(fù)效果，該團(tuán)隊(duì)從2018年開始嘗試基于微流控技術(shù)構(gòu)建人眼角膜器官芯片,?！?strong style="margin: 0px;padding: 0px;color: rgb(14, 23, 50);font-family: PingFangSC-Light;font-size: 16px;font-style: normal;font-variant-ligatures: normal;font-variant-caps: normal;letter-spacing: 1px;orphans: 2;text-align: justify;text-indent: 0px;text-transform: none;white-space: normal;widows: 2;word-spacing: 0px;-webkit-text-stroke-width: 0px;caret-color: rgb(89, 89, 89);background-color: rgb(255, 255, 255);text-decoration-thickness: initial;text-decoration-style: initial;text-decoration-color: initial;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;">我們首先需要從工程學(xué)角度有效構(gòu)建出疾病模型，通過工程學(xué)手段在體外環(huán)境中復(fù)現(xiàn)出完整的眼部生理結(jié)構(gòu),。這在技術(shù)上存在一定的難點(diǎn),，比如說人體的眼表并非完全浸沒在體液環(huán)境中，其與外界有一定的交互,，還需要考慮如何在體外構(gòu)建明確的生理結(jié)構(gòu),。”

在本次的工作中，研究人員構(gòu)建了一個(gè)由人上皮,、內(nèi)皮角膜細(xì)胞以及膠原涂層多孔膜組成的3D眼部體外模型——人角膜芯片,。膠原涂層多孔膜模擬了角膜的中間三層，分別是前彈力層,、基質(zhì)層,、后彈力層，并在膜的兩側(cè)分別培養(yǎng)角膜上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞,，以此完整復(fù)現(xiàn)出角膜的生理結(jié)構(gòu),。

角膜是眼睛最外層的器官結(jié)構(gòu)，分為五層,，由前向后依次為上皮細(xì)胞層,、前彈力層、基質(zhì)層,、后彈力層以及內(nèi)皮細(xì)胞層,。

微流控設(shè)備集成了用于共培養(yǎng)的分隔通道，實(shí)現(xiàn)在芯片上完全集成的人角膜,。多孔膜用于分隔上部和下部通道,，這些通道用于控制不同工作溶液獨(dú)立進(jìn)入不同細(xì)胞類型和微環(huán)境的參數(shù)。在疏水有機(jī)硅材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的器件上層構(gòu)建了一個(gè)開放式結(jié)構(gòu),，為角膜上皮細(xì)胞提供氣液界面交互（Air-Liquid Interface）的培養(yǎng)條件,，可以更精確地模擬眼表的生理環(huán)境。

據(jù)楊慧透露，人角膜芯片的仿真度在技術(shù)性,、復(fù)現(xiàn)水平都可以可靠反映出人體角膜真實(shí)環(huán)境,，基本可與國際一流的眼器官芯片研究團(tuán)隊(duì)水平相持平。

 圖|人角膜示意圖及人角膜器官芯片（來源：上述論文）

然后,，他們對(duì)微流體裝置進(jìn)行表征,，并通過在本研究中構(gòu)建和測(cè)量人類角膜模型來驗(yàn)證其功能。他們?cè)谖⒘骺匦酒蠘?gòu)建了一個(gè)輕度角膜損傷模型,，并研究了間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體的療效。研究表明,，無細(xì)胞治療方式——間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體具有抑制角膜炎癥和新生血管形成的作用,。

楊慧告訴生輝，該角膜器官芯片改善了體外模型和外部環(huán)境之間的相互作用,，有望為眼科疾病的體外驗(yàn)證提供了潛在的解決方案,。

“從工程學(xué)的意義來看，我們構(gòu)建了一個(gè)非常完整的眼表器官模型,，為眼部疾病提供了更仿真的體外模型,。更深層次來看，這項(xiàng)工作更為一系列眼科疾病提供了一項(xiàng)可供藥物篩選和測(cè)試的平臺(tái)性技術(shù),；從生物學(xué)意義來看,，干細(xì)胞外泌體屬于無細(xì)胞療法平臺(tái)性技術(shù)，本身可以發(fā)展為潛在的治療藥物,。在本項(xiàng)研究中這兩種技術(shù)平臺(tái)還實(shí)現(xiàn)了相互支持以及相互佐證,。”楊慧總結(jié)道。

據(jù)悉,，該課題組后續(xù)還會(huì)在眼部生理功能評(píng)價(jià)和藥物篩選等方面繼續(xù)驗(yàn)證和優(yōu)化這一工作體系,，同時(shí)也計(jì)劃將眼表疾病擴(kuò)展到眼底疾病。

“并不回避探索應(yīng)用的可能性”

上文提到,，楊慧課題組的研究方向是微系統(tǒng)和納米器件,，研究本身也具備應(yīng)用前景。

“生物醫(yī)學(xué)工程科學(xué)具備這樣的特質(zhì),，如果只強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究,，而忽視應(yīng)用場(chǎng)景，就好像射出去的箭沒有瞄準(zhǔn)靶子,。我們的基礎(chǔ)研究更多是從一些生命科學(xué)研究和臨床實(shí)踐需求出發(fā),，為解決這些問題設(shè)計(jì)和開發(fā)出一套解決方案。”楊慧說,。

同時(shí),，她還強(qiáng)調(diào)不僅要瞄準(zhǔn)靶子，還要體現(xiàn)出應(yīng)用創(chuàng)新。應(yīng)用創(chuàng)新背后更加依靠的是原始創(chuàng)新的科學(xué)研究體系,，要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新關(guān)鍵就需要進(jìn)行創(chuàng)新性研究,。比如說，工程學(xué)科背景出身的楊慧,，同樣希望能夠利用工程學(xué)思路去解決一些生物醫(yī)藥領(lǐng)域的難題,。

據(jù)悉，楊慧課題組的微系統(tǒng)和納米器件技術(shù)體系有明確的應(yīng)用方向和場(chǎng)景,，團(tuán)隊(duì)基于這些應(yīng)用場(chǎng)景去做一些與轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化緊密結(jié)合的工作,。

“從實(shí)驗(yàn)室走向轉(zhuǎn)化工作往往需要經(jīng)過漫長的過程，這一過程可以簡(jiǎn)單分為從0到1,，從1到10,，從10到100，100到10000...,。我們課題組當(dāng)前的主要工作聚焦在從0到1階段,，也就是一些想法的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，接下來會(huì)探索研究結(jié)果的應(yīng)用價(jià)值,。”楊慧告訴生輝,。

楊慧也提到，轉(zhuǎn)化應(yīng)用方式也比較多樣化,，團(tuán)隊(duì)幾乎不會(huì)回避探索應(yīng)用的可能性,。

（來源：researchamerica）

“基礎(chǔ)研究取得一定進(jìn)展和突破之后，轉(zhuǎn)化也是自然而然的事情,。未來,，我們不排除從1到10的嘗試，很有可能自己結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景做一些事情,。”楊慧總結(jié)道,。

“微流控技術(shù)具有很大的想象和發(fā)展空間”

微納米技術(shù)主要研究微米甚至納米微觀尺度的物體和現(xiàn)象，被視為21世紀(jì)最重要的科學(xué)技術(shù)之一,。其中,，該技術(shù)的一個(gè)重要分支是微流控技術(shù)，這是一種精確控制和操控微尺度流體的技術(shù),，也被稱之為芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-Chip）或微流控芯片技術(shù),。

上文提到，在微米和納米尺度會(huì)伴隨著出現(xiàn)新的物理效應(yīng),，這些物理效應(yīng)才能對(duì)相同尺度的物質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的操作,、處理、及感知,。比如說,，如果要檢測(cè)單分子上的微弱信號(hào),，需要傳感檢測(cè)的靈敏度足夠高，這種工作體系就要求建立在微納米技術(shù)體系上,。就像如果要雕刻微雕,，就得挑好合適尺寸的“刻刀”。

20世紀(jì)80年代,，微流控技術(shù)開始興起,，并在DNA芯片，芯片實(shí)驗(yàn)室,，微進(jìn)樣技術(shù),，微熱力學(xué)技術(shù)等多個(gè)方向得到了發(fā)展。

（來源：electronicspecifier）

“截止目前,，雖然微流控技術(shù)體系已發(fā)展了近40年,，但是現(xiàn)階段微流控技術(shù)的應(yīng)用還遠(yuǎn)未到達(dá)最為黃金的階段。我認(rèn)為,，微流控技術(shù)體系還有很大的探索空間，在科學(xué)研究層面和技術(shù)推進(jìn)層面都有巨大的想象和發(fā)展空間,。”楊慧說,。

在科學(xué)層面，就物理角度,，需要從單一物理場(chǎng)做到多物理場(chǎng)耦合,；從學(xué)科門類角度，這是一門非常交叉的學(xué)科,，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物理,、生物、化學(xué),、材料,、信息等多領(lǐng)域的交叉和交互。

在技術(shù)和應(yīng)用層面,，要認(rèn)識(shí)到該技術(shù)的前景和潛力,，深入挖掘微流控系統(tǒng)在技術(shù)體系上的壁壘。比如說,，增加流程復(fù)雜和精細(xì)化,，利用更復(fù)雜的流程去分析和處理更復(fù)雜的難題。

以基于微流控體系的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化（lab automation）為例,，這種方式代表了更高效的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行方式,，其可以將原本單一人工操作方式集成在一塊芯片上，高效并行操作,。同時(shí)也可以減少人工操作的誤差,，提高標(biāo)準(zhǔn)化水平,，使實(shí)驗(yàn)室流程和操作更智能化。

參考資料：

1,、https://www./iscience/fulltext/S2589-0042(22)00470-9