人體仿生微生理系統（類有機體）

類器官串聯芯片培養系統--- HUMIMIC

類器官是指在結構和功能上都類似來源器官或組織的模擬物，通過取特定器官的干細胞（iPS/ES），或者利用人的多能干細胞定向誘導分化，能獲得微型的器官樣的三維培養物，在體外模擬人體器官發育過程。

類器官串聯芯片培養系統—HUMIMIC是一種微流控微生理系統平臺，能夠維持和培養微縮的類器官，模擬其各自的全尺寸對應器官的生物學功能和生物的主要特征，如生物流體流動，機械和電耦合，生理組織與流體、組織與組織的比例。

德國TissUse GmbH公司致力于建設"多器官芯片"技術平臺，是技術的多器官串聯芯片、人體芯片（人體仿生微生理系統）方案的供應商。TissUse GmbH公司創始人，Prof. Dr. med. Uwe Marx教授是德國柏林工業大學醫學生物技術系的榮譽教授，在人體微生理研究領域開創性地提出了多器官芯片系統方案的理論，專注于人體芯片的技術開發，并將該技術轉化為制藥和化妝品行業的決策工具。他提出了人體芯片的概念，即在芯片上生成微縮的、無意識、無感官的人體等效物，即“芯片上的人體human-on-a-chip"，并創造性的提出了“類有機體Organismoid"的理論。

Uwe Marx教授分別于 2015 年、2019 年和 2023 年主辦了三次 MPS 業內的CAAT 研討會，并于 2023 年 6 月在柏林主辦了第二屆 MPS 世界峰會。

Uwe Marx教授在德國柏林夏里特大學、萊比錫大學和柏林工業大學工作了35年，期間發表了200多篇行業評審論文和多篇著作。他曾擔任德國政府多項生物技術研究計劃的評審員。Uwe Marx教授始終專注于創新生物制藥產品和技術平臺的發明和實施。免疫毒素、人類單克隆抗體、干細胞移植和 HUMIMIC 多器官芯片平臺都是他研發工作的成果，已獲得 30 項族和數百項。他于2012年獲得多蘿西-赫加蒂獎（Dorothy Hegarty Award），2014年獲得德國農業和消費者安全部動物保護研究獎（Animal Protection Research Prize），2017年獲得《ALTEX》雜志文章獎（Best Article Award），2021年獲得美國人道協會（The United States of America Humane Society for the Advancement of Replacement, Reduction and Refinement of Animals）羅素與伯奇獎（Russell & Burch Award）。

除學術生涯外，Uwe Marx教授還創辦了多家德國生物技術公司，其中包括ProBioGen、VITA34和TissUse。自 2020 年起，他擔任柏林工業大學分離出的公司 TissUse 的戰略官，負責 HUMIMIC® 技術平臺的商業化。

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體外人體系統有機體生物學的概念在12年前就被提出來，當時被稱為“芯片上的人體human-on-a-chip"或“芯片上的身體body-on-a-chip"，從“多器官串聯芯片Multi-Organ-on-Chip"發展而來，將多個類器官串聯起來共培養。

微生理系統MPS成為體外在生物學上可接受的最小尺度模擬人體生理和形態的技術平臺，因此，微生理系統能夠以的精度為每個患者篩選出個性化治療方案。與此同時，個人類類器官——干細胞衍生的復雜三維器官模型，可以在體外擴增和自我組織——已經證明，只要給人類干細胞提供相應誘導分化及生長環境，就可以在體外自我組裝成人體類器官。這些早期的類器官可以精確地反映出人體中對應器官的一系列獨特的生理狀態和病理特征。我們現在把過去的“芯片上的人體human-on-a-chip"的概念發展成“類有機體Organismoid"的理論。首先，我們提出了“類有機體"的概念，即通過體外的自我組裝的過程，模仿個體從卵細胞到性成熟的發生過程，培養出的——微小的、無思維、無情感的體外的人體等效物。微流控微生理系統（MPS）人體長期類器官培養；（或器官芯片）可以模擬人類生物學，因此，可以對器官的生理功能、器官串擾和藥物的藥理作用進行詳細的時間研究。MPS努力的一個主要目標是概括疾病狀態并研究藥物治療的效果。這些模型有可能改變藥物發現，使新的藥物靶點的有效研究和潛在鑒定，以及在生理學相關模型中對藥物干預進行測試。最近的一些出版物表明，在開發相關的人體模型方面取得了相當大的進展，例如人體單器官肺芯片或肝臟芯片平臺。肺等價物和肝臟等價物的疾病模型的進一步發展正在進行中。然而，人類全身性疾病的進展是通過破壞兩個或多個器官的穩態串擾。為了模擬這種系統相互作用，一些微生理平臺的目標是在不同的培養室中開發不同類器官的芯片上共培養，通過微流體通道相互連接。在多器官芯片（MOC）平臺上成功建立了個人體皮膚活檢組織與三維（3D）人類肝臟球體的器官型穩態長期共培養。隨后，建立基于moc的肝球體與人體三維腸道和神經元組織模型長期共培養，進行全身重復劑量物質測試。

---Marx Uwe

Department of Medical Biotechnology, Institute of Biotechnology, Technische Universit?t Berlin, Berlin, Germany,

TissUse GmbH, Berlin, Germany

An Individual Patient's "Body" on Chips – How Organismoid Theory Can Translate Into Your Personal Precision Therapy Approach. Frontiers in Medicine, 2021, Vol. 8

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微流控微生理系統（MPS）（或器官芯片）是指長期培養人體類器官，可以模擬人類生物學，因此，可以對器官的生理功能、器官之間的交流和藥物的獨理作用進行研究。MPS的一個主要目標是構建疾病模型并研究藥物治療的效果。這些模型可以促進藥物發現，新靶點的有效性研究和功能性鑒定，以及在生理學相關模型中對給藥進行測試。最近的一些文獻證明表明，科學界在開發相關的人體模型方面取得了相當大的進展，例如人體單器官肺芯片或肝臟芯片。肺類器官和肝臟類器官的疾病模型的正在進一步發展中。然而，人類全身性疾病的發生通常是通過兩個或多個器官的穩態交流通訊被破壞。為了模擬這種多器官相互作用的系統性，很多微生理平臺開發了不同類器官在芯片上的共培養，并且通過微流體通道相互連接。在多器官串聯芯片（MOC）平臺上成功建立了個人體皮膚活檢組織與三維（3D）人類肝臟類器官的穩態長期共培養。隨后，也建立基于MOC的肝臟類器官、腸道類器官和神經元（腦類器官）長期共培養，進行全身重復劑量物質測試。

---Marx Uwe

Department of Medical Biotechnology, Institute of Biotechnology, Technische Universit?t Berlin, Berlin, Germany,

TissUse GmbH, Berlin, Germany

Functional coupling of human pancreatic islets and liver spheroids on-a-chip: Towards a novel human ex vivo type 2 diabetes model. Scientific Reports, 2017

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德國TissUse的HUMIMIC®類器官串聯芯片培養系統包括控制單元和芯片，控制單元能夠模擬人體內生理環境，包括溫度、壓力、真空度、微流道循環頻率、時間等參數，芯片有不同的微流道設計，針對不同的器官可以單獨設置提供相應的培養條件，提供精準的培養和分化環境。可提供不同類器官的串聯共培養方案，避免單一類器官無法模擬人體復雜生理學條件下器官相互通訊交流的不足。通過類器官模擬人類器官組織的生理發育過程，應用于疾病模型、腫瘤發生、以及藥物安全性、有效性、毒性、ADME等方面的評估，旨在減少和取代實驗室動物測試，簡化人體臨床試驗。

德國TissUse的HUMIMIC®類器官串聯芯片培養系統是通過控制單元來控制微流體環境中的復雜條件，包括物理因素，如溫度（如37°C）、pH值、氧氣和濕度的供應和控制；包括仿生機械學因素，例如：血液或尿液的流動，空氣在肺中的循環，膽汁或胰液的流動，血液和淋巴管的剪切應力，骨骼和軟骨的壓力，皮膚的壓力、肺或胃的外壁，腸的蠕動運動，肌肉收縮等等；包括括神經元和心臟組織的電信號。通過電生理配件實現了在體內模擬組織特異性機電-生化信號的必要功能，能夠為肺、骨和軟骨提供擴張和壓縮力，以及用于肌肉，心臟，腦的電刺激和電信號監測。

德國TissUse的HUMIMIC®類器官串聯芯片培養系統通過一個自動化設備來控制不同的芯片形式。比如HUMIMIC®Chip2芯片，能夠在每個芯片的兩個微流道連接的培養室中培養兩個不同或者相同的器官。芯片上的微泵在每個微流道中產生生理脈動液體循環流動。培養室可以靈活地裝載任何類型的器官，包括基于transwell的培養小室。芯片的底部是光學透明的玻璃，可以實現實時成像。

類器官，具有某一器官多種功能性細胞和組織形態結構的三維（3D）培養物，主要來源于人具有多項分化潛能的多能干細胞（包括人胚胎干細胞和人誘導多能干細胞iPSCs）或成體干細胞。人多能干細胞能分化為個體所有類型的細胞，在體外，經過誘導分化，模擬人體器官發育過程，能使人多能干細胞直接分化形成各種類器官；不同組織器官都存在內源組織干細胞，在維持各器官的功能形態發揮著重要作用。這些干細胞在體外一定的誘導條件下，可以自組織形成一個直徑僅為幾毫米的具有組織結構和多種功能細胞的三維培養物。器官芯片是獲取兩個或兩個以上不同的類器官，并且放置在特定的培養芯片上進行共培養，能模擬人體的多個器官參與的生理學過程。    

基于這一定義，可以發現類器官具備這樣幾個特征：
?    必須包含一種以上與來源器官相同的細胞類型；
?    應該表現出來源器官所有的一些功能；
?    細胞的組織方式應當與來源器官相似。

類器官作為一個新興的技術，在科學研究領域潛力巨大，包括發育生物學、疾病病理學、細胞生物學、再生機制、精準醫療以及藥物毒性和藥效試驗。與傳統2D細胞培養模式相比，3D培養的類器官包含多種細胞類型，能夠形成具有功能的“微器官"，能更好地用于模擬器官組織的發生過程及生理病理狀態，因而在基礎研究以及臨床診療方面具有廣闊的應用前景。

類器官培養使研究人體發育提供了不受倫理限制的平臺，為藥物篩選提供了新的平臺，也是對現有2D培養方法和動物模型系統的高信息量的互補 。

類器官可以模擬人體的內外環境和人體器官，幫助研究人員觀測用藥會對人體器官功能產生什么樣的影響。在提倡精準醫學和個體化治療的時代，類器官研究比傳統的二維細胞培養更具有針對性，并且可以區別不同癌癥對于相同藥物的反應。不僅如此，研究者還希望通過誘導多功能干細胞*的再生潛能，體外生成新的器官或組織，然后移植入體內以替代損壞的組織器官。此外，類器官為獲取更接近自然人體發育細胞用于細胞治療成為可能。通過類器官繁殖的干細胞群取代受損或者患病的組織，類器官提供自體和同種異體細胞療法的可行性，未來這一技術在再生醫學領域也擁有巨大的潛力 。在精準醫學應用中，患者衍生的類器官也被證明為有價值的診斷工具。在進行治療之前，采用從患者樣本來源的類器官篩查患者體外藥物反應，旨在為癌癥和囊胞性纖維癥患者的護理提供指導并預測治療結果。隨著類器官培養系統以及其實驗開發技術的不斷發展，類器官應用到了各大研究領域。    

類器官培養的應用案例

類器官的應用舉例---疾病模型

類器官的研究還可用于于疾病模型，如發育相關問題，遺傳疾病，腫瘤癌癥等。
通過使用患者的iPSCs可建立有價值的疾病模型，并能在體外模擬重現病人疾病模型；同時，類器官的建立可以實現對藥物藥效和毒性進行更有效、更真實的檢測。由于類器官可以直接由人類iPSCs直接培養生成，相比于動物模型很大程度上避免了因動物和人類細胞間的差異而導致的檢測結果不一致。

類器官的應用舉例---藥效和毒理測試

可以從患者來源的健康和腫瘤組織樣品中建立類器官。與此同時類器官培養物可用于藥物篩選，這可將腫瘤的遺傳背景與藥物反應相關聯。來自同一患者健康組織的類器官的建立提供了通過篩選選擇性殺死腫瘤細胞而又不損害健康細胞的化合物來開發毒性較小的藥物的機會。自我更新的肝細胞類器官培養物可用于測試潛在新藥的肝毒性（臨床試驗中藥物失敗的原因之一）。在該實施例中，藥物B似乎適合于治療患者，因為它特異性殺死腫瘤類器官并且不引起肝毒性。

類器官的應用舉例---重演腫瘤形成

類器官的培養和建立，可用于研究腫瘤生成過程中的突變過程，比如說，通過從同一腫瘤的不同區域培養無性繁殖的類細胞器，可以用來研究腫瘤內部的異質性。

來自不同健康器官的類器官的生長，然后對培養物進行全基因組測序，可以分析器官特異性突變譜。通過生長來自同一腫瘤不同區域的類器官，可以用于研究腫瘤內異質性。區域特異性突變譜可以通過類器官的全基因組測序來揭示。使用與上述相似的方法，可以利用類器官來研究特定化合物對健康細胞和腫瘤細胞突變譜的影響。

類器官的應用舉例---腫瘤患者個性化醫療

有助于個性化治療策略的設計，利用病變和正常的類器官來評估各種治療方案。可以篩選多種活性藥物和小化合物，設計更有效的用藥方案。培養成熟的類器官還可以為器官再生和器官提供廣泛的組織來源。對類器官進行基因操作來修復缺失的功能，并移植回到患者體內。

類器官的應用舉例---類器官“生物Bank"

根據目前的研究進展，建立了活體類器官“生物bank"。其中，腫瘤來源的類器官在表型和基因上都與腫瘤相似。另外，腫瘤類類器官生物庫使生理學相關的藥物篩選成為可能。活體類器官生物庫可用于確定類器官是否對個體患者的藥物反應，具有預測價值。

從結直腸癌患者的健康組織和腫瘤組織中提取的三維有機組織培養物被用于高通量藥物篩選，以確定可能促進個性化治療的基因藥物相關性

類器官串聯培養系統--- HUMIMIC的技術方案：

多器官串聯培養，在沒病人的情況下測試病人

類器官串聯芯片培養系統包括控制單元和芯片，控制單元能夠模擬人體內生理環境，包括溫度、壓力、真空度、微流道循環頻率、時間等參數，芯片有不同的微流道設計，針對不同的器官可以單獨設置提供相應的培養條件，提供精準的培養和分化環境。類器官串聯芯片培養系統可提供不同類器官的串聯共培養方案，避免單一類器官無法模擬人體復雜生理學條件下器官相互通訊交流的不足。通過類器官模擬人類器官組織的生理發育過程，應用于疾病模型、腫瘤發生、以及藥物安全性、有效性、毒性、ADME等方面的評估，旨在減少和取代實驗室動物測試，簡化人體臨床試驗。

為獲取更高相關與準確的測試結果，我們開發了人體器官模型的自動芯片測試：

配備具有指示相關性的器官模型的芯片，以能夠在接觸生物體之前檢測其安全性和有效性；

最終為芯片配備患者自身相關病變器官的亞基，以評估整個個性化治療的效果；

人體生理反應往往涉及更多介質循環和不同組織間相互作用，多器官芯片才能全面反映出機體器官功能的復雜性、完整性以及功能變化，一個相互作用的系統才能更好的模擬整個系統中器官和組織的不同功能。可提供不同類器官的串聯培養解決方案，避免單一類器官無法模擬人體復雜生理學條件下器官相互通訊交流的不足。把多種不同器官和組織培養在芯片上，然后通過微通道連接起來，集成一個相互作用的系統，從而模擬人體中的不同功能器官的交流通訊和互相作用。

德國TissUse專有的商用MOC技術支持的器官培養物的數量范圍從單個器官培養到支持復雜器官相互作用研究的器官數量，包括單器官、二器官、三器官和四器官培養的商業化的平臺。成功的案例包括：肝臟、腸、皮膚、血管系統、神經組織、心臟組織、軟骨、胰腺、腎臟、毛囊、肺組織、脂肪組織、腫瘤模型和骨髓以及各自的多器官串聯組合方案。

德國TissUse公司專注于類器官培養系統研究22年，推出的HUMIMIC類器官串聯芯片培養系統，得到FDA和中國食品藥品檢定研究院的推薦，并被多個國際用戶單位認可（包括：阿斯利康，拜耳，輝瑞，寶潔，貝爾斯多夫，聯合利華，GSK，MSD等等），可提供不同類器官的串聯培養解決方案，避免單一類器官培養無法模擬人體器官相互通訊關聯的缺陷，同時也提供相關的技術方案和后續方法試劑支持，屬于國際上少有的“Multi-Organ-Chip" 和“Human-on-a-chip"的方案提供者。相關方案已被廣泛應用于藥物開發、化妝品、食品與營養和消費產品等多個領域。

類器官串聯培養系統---HUMIMIC系統

一、專業化的硬件（控制單元）
     主機（控制單元）是一個臺式設備，能夠控制類器官培養環境，包括溫度、壓力、真空度、微流道循環頻率、時間等參數；

7寸觸摸顯示器，控制面板可以在整個過程中對每個多器官芯片分別進行調節，無需外接電腦，軟件操控友好；

可以自主設置每個器官芯片的培養條件，包括溫度、壓力、真空度、微流道循環頻率、時間等參數；

可串聯培養2個不同（或相同）、3個不同的、4個不同的類器官；

3個連接拓展口，用于連接其他設備；

同時操控高達8個Chip3 / Chip3 plus，4個Chip2 /Chip4或這些的組合；

二、類器官芯片

芯片有不同的微流道設計，針對不同的器官可以單獨設置提供相應的培養條件，提供精準的培養和分化環境；

芯片的泵腔內的柔性膜通過連接的管道，受到壓力或真空的作用，在微流道之中產生脈動體流；

二聯類器官芯片可以在一個芯片上串聯培養2個不同（或相同）的類器官；

三聯類器官芯片可以在一個芯片上串聯培養3個不同的類器官；

四聯類器官芯片可以在一個芯片上串聯培養4個不同的類器官；

三、服務方案（細胞、試劑，誘導方案）

四、器官模型和串聯培養技術

類器官串聯培養系統---HUMIMIC的應用案例

1、神經和肝臟類器官的串聯共培養（柏林工業大學）—二聯器官共培養的藥物敏感性

2015, Journal of Biotechnology,

A multi-organ chip co-culture of neurospheres and liver equivalents for long-term substance testing

目前用于藥物開發的體外實驗平臺無法模擬人體器官的復雜性，而人類和實驗室動物的系統差異巨大，因此現有的方案都不能準確預測藥物的安全性和有效性。德國、葡萄牙和俄羅斯的研究團隊通過TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平臺，測試毒物對多器官的作用，揭示了基于微流控的多器官串聯共培養能夠更好的模擬人體的生理學環境。在體外培養條件下，由于氧氣和營養供應有限，類器官培養往往會隨著時間的推移而去分化。然而微流控系統中通過持續灌注培養基，更好地控制環境條件，如清除分泌物和刺激因子，并且培養基以可控流速通過，以模擬血流產生的生物剪切應力，因此類器官培養物可以保持良好的生長狀態。

雙器官串聯芯片（2-OC）能夠串聯共培養人的神經球（NT2細胞系）和肝臟類器官（肝HepaRG細胞和肝HHSteC細胞）。在持續兩周的實驗中，反復加入神經毒劑2,5-己二酮，引起神經球和肝臟的細胞凋亡。跟單器官培養相比，串聯共培養對毒劑更敏感。因此，多器官串聯共培養在臨床研究中可以更準確地預測藥物的安全性和有效性。推測這是因為一個類器官的凋亡信號導致了第二個類器官對藥物反應的增強，這一推測得到了實驗結果的支持，即串聯共培養的敏感性增加主要發生在較低濃度藥物中。

2、心臟肝臟骨骼皮膚的串聯共培養（哥倫比亞大學）—四聯器官共培養的復雜通訊模型

哥倫比亞大學的科學家也開發了一種多器官串聯芯片，建立了串聯共培養心臟、肝臟、骨骼、皮膚的技術，發表于2022年的Nature Biomedical Engineering，中通過血液循環串聯培養4個類器官，保持了各個類器官的表型，還研究了常見的抗癌藥阿霉素對串聯芯片中的類器官以及血管的影響。結果顯示藥物對串聯共培養類器官的影響與臨床研究結果非常相似，證明了多器官串聯共培養能夠成功的模擬人體中的藥代動力學和藥效學特征。

“注意的是，多器官串聯芯片能夠準確的預測出阿霉素的心臟毒性和心肌病，這意味著，臨床醫生可以減少阿霉素的治療劑量，甚至讓患者停止該治療方案。“

Gordana Vunjak-Novakovic, Department of Biomedical Engineering, Columbia University

3、胰島和肝臟類器官的串聯共培養（阿斯利康）—二聯器官共培養的反饋通訊

2017, Nature Scientific Reports,

Functional coupling of human pancreatic islets and liver spheroids on-a-chip: Towards a novel human ex vivo type 2 diabetes model

人類系統性疾病的發生過程都是通過破壞兩個或多個器官的自我平衡和相互交流。研究疾病和藥療就需要復雜的多器官平臺作為體外生理模型的工具，以確定新的藥物靶點和治療方法。2型糖尿病（T2DM）的發病率正在不斷上升，并與多器官并發癥相關聯。由于胰島素抵抗，胰島通過增加分泌和增大胰島體積來滿足胰島素不斷增加的需求量。當胰島無法適應機體要求時，血糖水平就會升高，并出現明顯的2型糖尿病。由于胰島素是肝臟代謝的關鍵調節因子，可以將生產葡萄糖的平衡轉變為有利于葡萄糖的儲存，因此胰島素抵抗會導致糖穩態受損，從而導致2型糖尿病。過去已經報道了多種表征T2DM特征的動物模型，但是，從動物實驗進行的研究往臨床上轉化的效果不佳。更重要的是，目前使用的藥物，雖然能緩解糖尿病癥狀，但對疾病進一步發展的治療效果有限。

胰腺和肝臟是參與維持葡萄糖穩態的兩個關鍵器官，為了模擬T2DM，阿斯利康（AstraZeneca）的科學家利用TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平臺，通過微流控通道相互連接，建立一個雙器官串聯芯片（2-OC）模型，實現芯片上胰腺和肝臟類器官的串聯共培養，在體外模擬了胰腺和肝臟之間的交流通訊。

建立串聯共培養類器官（胰島+肝臟）和單獨培養類器官（僅胰島或肝臟），在培養基中連續培養15天，串聯共培養顯示出穩定、重復、循環的胰島素水平。而胰島單獨培養的胰島素水平不穩定，從第3天到第15天，降低了49%。胰島與肝球體串聯共培養中，胰島可長期維持葡萄糖水平，刺激胰島素分泌，而單獨培養的胰島，胰島素分泌顯著減少。胰島分泌的胰島素促進了肝球體對葡萄糖的利用，顯示了串聯共培養中類器官之間的功能性交流。在單獨培養中的肝球體中，15天內循環葡萄糖濃度穩定維持在~11 mM。而與胰島共培養時，肝球體的循環葡萄糖在48小時內降低到相當于人正常餐后的水平度，表明胰島類器官分泌的胰島素刺激了肝球體攝取葡萄糖。

4、肺腫瘤和皮膚類器官的串聯共培養（拜耳）—抗體藥物對腫瘤和正常器官的影響

針對EGFR抗體的藥物在癌癥治療中被廣泛應用。然而，抗癌藥物的使用量與皮膚不良反應成正比相關，皮膚毒性是上皮生長因子受體(EGFR) 靶向治療中常見的副作用。但是對于后者的預測目前的方法均無法實現。

雙器官串聯芯片（2-OC）模型，實現芯片上皮膚和腫瘤的共培養，用于模擬重復給藥的劑量實驗，同時還生成安全性和有效性的數據，可以在非常早的階段檢測到西妥昔單抗cetuximab對皮膚的幾個關鍵副作用。這種體外分析能夠在臨床表現之前預評估毒性副作用，可以替代動物試驗，有望成為評價EGFR抗體和其他腫瘤藥物治療指數的理想工具。

5、皮膚-肝臟類器官的串聯共培養（拜爾斯道夫公司）—評估化妝品不同的給藥途徑

一種獨特的基于芯片的組織培養平臺已經開發出來，使化妝品和藥物對一套微型人體器官的影響測試成為可能。這種“人-片"平臺旨在生成可復制的、高質量的人體物質安全性預測體外數據。被測物質進入表皮或在表皮內代謝，然后泵入肝臟并激活相應的CYPs。因此，在肝臟和皮膚的聯合培養中，多器官芯片是一種有前途的體外方法，用于全身和局部劑量的化妝品和藥物。

皮膚等效物的培養整合在一個系統中。芯片上的微泵使代謝運輸和附加的生理剪切應力成為可能。肝臟和皮膚等效物存活10天，并顯示緊密連接和特異性轉運蛋白的表達。每天服用咖、維甲酸和倍他米松-21-戊酸，持續7天，以研究已知可被皮膚和肝臟代謝的化合物的作用。將表面敷于表皮的效果與直接敷于培養基的效果進行比較，分析對皮膚滲透和代謝的影響。對肝臟和皮膚等價物進行代謝酶、轉運體、分化標記物的表達和活性分析。結果顯示，在蛋白水平和mRNA水平上，根據不同物質處理，ⅰ、ⅱ期酶均有本構性和誘導性表達。因此，在肝臟和皮膚的聯合培養中，多器官芯片是一種有前途的體外方法，用于全身和局部劑量的藥物和化妝品。

6、肺類器官在芯片上的培養（菲莫國際）_—空氣環境對呼吸道的影響

使用類人肺模型研究吸入氣溶膠的沉積和吸附，從而使體外人體呼吸毒性的數據更加準確和可預測。目前的體外氣溶膠暴露系統通常不能模擬這些特性，這可能導致在體外生物測試系統中交付非現實的、非人體相關的可吸入試驗物質劑量。模擬和研究體外氣溶膠暴露裝置-吸入器可主動呼吸、操作醫用吸入器，或吸吸煙草制品。此外，它可以填充從人類呼吸道不同區域分離的三維上皮細胞。包括口腔、支氣管和肺泡細胞培養物的氣溶膠傳遞和相容性的概念的研究，將其應用于測試系統，吸入產生的生理條件下，測試表現在人的呼吸道的方式。這種方法的優點是，它無需花費昂貴、耗時和具有科學挑戰性的工作來確定體內提供的劑量，默認情況下，適用于任何測試煙草燃燒產生的氣體和任何測試成分。

此外，通過功能和結構上培養人的呼吸道器官模型，該系統消除了在處理呼吸道不同區域時重復暴露與吸煙環境，并能夠測試任何相關的呼吸模式或行為。由于該系統能夠自行產生或取樣測試氣溶膠，且其方式與人類呼吸道的做法高度相似，因此消除了在外部測試大氣產生或取樣過程中引入實驗人工制品的風險。

通過建立類器官培養和鑒定平臺，培養人肺類器官模型，研究煙草燃燒后的氣體對人體內健康的影響，從而煙草行業的一場技術變革，以創造一個無害煙的未來，并最終以無害煙產品取代香煙，從而造福于那些原本會繼續吸煙的成年人、社會、公司。

7、腸-肝臟串聯共培養（菲莫國際）—藥物吸收和毒性過程

藥物性肝臟損傷（DILI）是藥物研發的主要障礙，會導致藥物撤市（2021 年；2016 年）。動物模型與人體之間的差異以及日益嚴格的倫理要求，使得有必要采用新的藥物安全性評估模型（2014 年）。這種微生理系統（MPS），也稱為“芯片上的器官"，是一種通過結合微流控、微制造和三維（3D）細胞培養構建的裝置。它能夠為動物模型重現生理相關的器官功能。MPS平臺是一種微型化的體外生理環境（Shinohara等，2021）。 這使得能夠模擬和精確控制化學梯度和生物力學力，以模擬體內環境并響應。預定義的微流控通道充當工程化的血管，重現體內生理組織功能（Low 等，2020 年），并允許與其他多器官系統聯合（Kulthong 等，2020 年）。此外，多器官系統能夠實現實時組織功能監測（Milani 等，2022 年）。 由微流道串聯的多器官芯片模型能夠進一步模擬人類動態反應和內部器官相互作用（Arakawa 等，2020 年），并為藥物暴露與藥物效果/毒性的關系提供輔助證據。腸和肝臟是主要的吸收、分布、代謝和排泄（ADME）器官，因此在藥代動力學（PK）研究中非常重要（Vernetti 等，2017 年）。

為了彌補動物模型的局限性，提出了新的藥物安全性評估模型，以*和減少現有的模型。為了在體外腸-肝臟的微生理系統（MPS）中模擬藥物的吸收和代謝，并預測藥代動力學和毒性效應，中國食品藥品檢定研究院安全評價研究所（國家藥物安全評價監測中心），中國醫學院 & 北京協和醫學院，德國TissUse GmbH公司的科學家一起合作，建立了一個腸-肝臟串聯培養芯片，檢測了APAP（對乙酰氨基酚）過量后的急性肝臟損傷過程，并于2024年9月發表于《Food and Chemical Toxicology》雜志。

使用 Caco-2 和 HT29-MTX-E12 細胞系建立了腸類器官，同時利用 HepG2、HUVEC-T1 和經 PMA 誘導的 THP-1 以及人類肝臟星狀細胞建立了肝臟類器官。使用高效液相色譜法測定 APAP 濃度，并使用 Phoenix 軟件通過非房室分析法擬合藥代動力學參數。肝臟損傷生物標志物天冬氨酸轉氨酶和丙氨酸轉氨酶的變化，以及肝臟功能標志物白蛋白表明，這兩個器官芯片模型在 4 天內的短期培養是穩定的。在給藥對乙酰氨基酚（APAP）后，活性氧信號增強，同時線粒體膜電位降低，caspase-3（半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3）被激活，p53 信號增強，表明 APAP 過量引發了毒性反應。在腸肝臟多器官系統模型中，我們擬合了毒代動力學參數，并模擬了 APAP 過量后的肝臟毒性過程，這將有助于器官芯片在藥物毒性檢測中的應用。

類器官串聯培養系統---HUMIMIC的介紹視頻

類器官串聯培養系統---HUMIMIC AutoLab自動化方案

自動化的優勢

24小時/7天連續操作與數據采集

靈活的加液/給藥方案與觀察

無中斷的細胞培養環境

在處理復雜的器官組合時，大大減少了人工操作的工作量

提高不同用戶、不同實驗室之間的可重復性

機器學習和人工智能（AI）

芯片操作平臺

同時培養24個多器官芯片

系統性微流道培養基循環

培養基交換、給藥方式與樣品提取

培養箱無菌條件下的液體處理

顯微鏡

常規顯微分析和實時質量控制

熒光和明場成像，最大放大倍數10X

自動凍存

自動從4°C儲存箱中提供培養基、試劑和樣本

細胞培養材料儲備

AutoLab 分析功能

球體和細胞檢測

追蹤記錄細胞和球體大小、形態和數量的變化

CO2或pH熱圖

虛擬AI染色

類器官串聯培養系統---HUMIMIC的參考文獻

2025, Archives of Toxicology, Human and rat renal proximal tubule in vitro models for ADME applications

Klatt OC, de Brouwer L, Hendriks F, Dehne EM, Ata? Wagegg B, Jennings P, Wilmes A

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Koenig L, Ben-Eliezer I, Tao TP, Winter A, Grossman M

2024, Cells, Vol. 13, SARS-CoV-2 Spike Protein Amplifies the Immunogenicity of Healthy Renal Epithelium in the Presence of Renal Cell Carcinoma

Somova M, Simm S, Ehrhardt J, Schoon J, Burchardt M, Pinto PC

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Pamies D, Ekert J, Zurich MG, Frey O, Werner S, Piergiovanni M, Freedman BS, Teo AKK, Erfurth H, Reyes DR, Loskill P, Candarlioglu P, Suter-Dick L, Wang S, Hartung T, Coecke S, Stacey GN, Atac Wagegg B, Dehne EM, Pistollato F, Leist M2024, Food and Chemical Toxicology, Vol. 193, Hepatotoxic assessment in a microphysiological system: Simulation of the drug absorption and toxic process after an overdosed acetaminophen on intestinal-liver-on-chip Yu Y, Sun B, Ye X, Wang Y, Zhao M, Song J, Geng X, Marx U, Li B, Zhou X

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Tao TP, Brandmair K, Gerlach S, Przibilla J, Schepky A, Marx U, Hewitt NJ, Maschmeyer I, Kühnl J

2023, Journal of Applied Toxicology, Early View, Suitability of different reconstructed human skin models in the skin and liver Chip2 microphysiological model to investigate the kinetics and first-pass skin metabolism of the hair dye, 4-amino-2-hydroxytoluene

Brandmair K, Tao TP, Gerlach S, Przibilla J, Schepky A, Marx U, Hewitt NJ, Kühnl J, Maschmeyer I

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Padmyastuti A, Sarmiento MG, Dib M, Ehrhardt J, Schoon J, Somova M, Burchardt M, Roennau, Pinto PC

2023, bioRxiv, Preprint, Diseased human pancreas and liver microphysiological system for preclinical diabetes research

Rigal S, Casas B, Kanebratt KP, Wennberg Huldt C, Magnusson LU, Mullers E, Karlsson F, Clausen M, Hansson SF, Jansson Lofmark R, Ammala C, Marx U, Gennemark P, Cedersund G, Andersson TB, Vilen LK

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Naik NN, Vadloori B, Poosala S, Srivastava P, Coecke S, Smith A, Akhtar A, Roper C, Radhakrishnan S, Bhyravbhatla B, Damle M, Pulla VK, Hackethal J, Horland R, Li AP, Pati F, Singh MS, Occhetta P, Bisht R, Dandekar P, Bhagavatula K, Pajkrt D, Johnson M, Weber T, Huang J, Hysenaj L, Mallar B, Ramray B, Dixit S, Joshi S, Kulkarni M

2023, Frontiers in Pharmacology, Vol. 14, Development of a microphysiological skin-liver-thyroid Chip3 model and its application to evaluate the effects on thyroid hormones of topically applied cosmetic ingredients under consumer-relevant conditions

Tao TP, Maschmeyer I, LeCluyse EL, Rogers E, Brandmair K, Gerlach S, Przibilla J, Kern F, Genies C, Jacques C, Najjar A, Schepky A, Marx U, Kühnl J, Hewitt NJ

2022, Biomaterials and Biosystems , Vol. 7, Setup of human liver-chips integrating 3D models, microwells and a standardized microfluidic platform as proof-of-concept study to support drug evaluation

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Nguyen VVT, Ye S, Gkouzioti V, van Wolferen ME, Yengej FY, Melkert D, Siti S, de Jong B, Besseling PJ, Spee B, van der Laan LJW, Horland R, Verhaar MC, van Balkom BWM

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Koenig L, Ramme AP, Faust D, Mayer M, Fl?tke T, Gerhartl A, Brachner A, Neuhaus W, Appelt-Menzel A, Metzger M, Marx U, Dehne EM

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Tao TP, Brandmair K, Gerlach S, Przibilla J, Géniès C, Jacques‐Jamin C, Schepky A, Marx U, J. Hewitt N, Maschmeyer I, Kühnl J

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Kühnl J, Tao TP, Brandmair K, Gerlach S, Rings T, Müller-Vieira U, Przibilla J, Genies C, Jaques-Jamin C, Schepky A, Marx U, J. Hewitt N, Maschmeyer I

2020, TissUse White Paper, Multi-Organ Microphysiological Systems are Poised for Expansive Integration

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Vahav I, van den Broek LJ, Thon M, Monsuur HN, Spiekstra SW, Atac B, Scheper RJ, Lauster R, Lindner G, Marx U, Gibbs S

2020, ALTEX, Preprint, Biology-inspired Microphysiological systems to advance patient benefit and animal welfare in drug development
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Dehne EM, Marx U

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Ramme AP, Faust D, Koenig L, Marx U
Cell line repository/bank: Human Pluripotent Stem Cell Registry (hPSCreg)

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Dehne EM, Winter A, Marx U

2019, Future Science OA, Vol. 5, No. 8, Autologous induced pluripotent stem cell-derived four-organ-chip
Ramme AP, Koenig L, Hasenberg T, Schwenk C, Magauer C, Faust D, Lorenz AK, Krebs AC, Drewell C, Schirrmann K, Vladetic A, Lin GC, Pabinger S, Neuhaus W, Bois F, Lauster R, Marx U, Dehne EM

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Dehne EM, Hickman J & Shuler M

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Beilmann M, Boonen H, Czich A, Dear G, Hewitt P, Mow T, Newham P, Oinonen T, Pognan F, Roth A, Valentin JP, Van Goethem F, Weaver RJ, Birk B, Boyer S, Caloni F, Chen AE, Corvi R, Cronin MTD, Daneshian M, Ewart LC, Fitzgerald RE, Hamilton GA, Hartung T,Kangas JD, Kramer NI, Leist M, Marx U, Polak S, Rovida C, Testai E, Van der Water B, Vulto P, Steger-Hartmann T

2018, Nature Scientific Reports, Simultaneous evaluation of anti-EGFR-induced tumour and adverse skin effects in a microfluidic human 3D co-culture model
Hübner J, Raschke M, Rütschle I, Gr??le S, Hasenberg T, Schirrmann K, Lorenz A, Schnurre S, Lauster R, Maschmeyer I, Steger-Hartmann T, Marx U

2018, Bioengineering 2018, Bioengineering of a Full-Thickness Skin Equivalent in a 96-Well Insert Format for Substance Permeation Studies and Organ-on-a-Chip Applications
Schimek K, Hsu HH, Boehme M, Kornet JJ, Marx U, Lauster R, P?rtner R, Lindner G

2018, J Vis Exp., A Method for Determination and Simulation of Permeability and Diffusion in a 3D Tissue Model in a Membrane Insert System for Multi-well Plates
Hsu HH, Kracht JK, Harder LE, Rudnik K, Lindner G, Schimek K, Marx U, P?rtner R

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Mühleder S, Pill K, Schaupper M, Labuda K, Priglinger E, Hofbauer P, Charwat V, Marx U, Redl H, Holnthoner W

北京佰司特科技有限責任公司

類器官串聯芯片培養系統—HUMIMIC；類器官灌流式培養和代謝監測系統—IMOLA；

蛋白穩定性分析儀—PSA-16；單分子穩定性分析儀（磁鑷力譜測量儀）—HiMT；單分子質量光度計—TwoMP；超高速視頻級原子力顯微鏡—HS-AFM；微流控擴散測量儀—Fluidity One-M；

微納加工點印儀—NLP2000/DPN5000；臺式原子力顯微鏡—ACST-AFM；全自動半導體式細胞計數儀—SOL COUNT；農藥殘留定量檢測儀—BST-100；