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器官芯片#类器官芯片标准/定制化技术服务
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早知道,早领跑!器官芯片OoC,复刻体外人体器官,或可取代动物实验!

2499 人阅读发布时间:2025-07-17 10:41

在现代医药的产业链中,动物实验扮演了重要承上启下的重要环节—在细胞和动物模型中开发出新药后,必须先在动物实验中了解代谢和毒理,才能进一步来到人体试验,评估对人类患者的安全性和有效性。

今年4月(2025年4月10日),美国食品药品管理局 (FDA) 宣布将取消单抗和其他药物的动物试验要求,转而使用包括基于人工智能的毒性计算模型、细胞系以及实验室环境下的类器官、器官芯片毒性测试等

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近年来,随着科技的飞速发展和伦理观念的日益增强,寻找动物实验的替代方案成为了科研领域的热门话题。器官芯片、类器官和诱导性多能干细胞(iPSC)模型等新兴技术的诞生与发张,为动物实验的替代方案提供了可能。

“器官芯片”是2010年诞生的一项变革性生物医学技术;2016年被达沃斯经济论坛列为“世界十大新兴技术”之一,在疾病机制研究(特定器官/微环境)、药物早期筛选与毒性测试(肝毒、心毒等)、个性化医疗、环境毒性测试等领域的作用日益凸显,为生命科学和医学研究提供一种系统性的解决方案。

器官芯片是一项多学科高度交叉的前沿技术近年来,关于器官芯片相关的文章和基金课题呈现逐年上升的趋势。在疾病机制研究(特定器官/微环境)、药物早期筛选与毒性测试(肝毒、心毒等)、个性化医疗、环境毒性测试等领域的作用日益凸显,为生命科学和医学研究提供一种系统性的解决方案。同时,在个性化医疗领域,该技术可利用患者自己的细胞创建个性化的器官芯片,从而基于个体预测某种药物的作用。

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目前,器官芯片OoC技术已日渐成熟,预计未来几年学术界和产业界将持续加大对OoC的研究投入。对于对该领域的研究小白来说,如何关联临床课题解决基础难题,丝滑发好文拿课题跟着我,一起了解更多器官芯片相关基础知识,“卷”走课题先同事一步!

器官芯片

器官芯片(Organ-on-a-Chip, OoC)是一种融合微流控技术、细胞生物学材料科学的仿生系统,通过在微米级芯片上构建三维细胞培养环境,模拟人体器官的生理结构和功能。其核心在于利用生物材料构建支架,结合微流控通道模拟血液流动,整合生物传感器实时监测细胞反应,从而在体外重现器官级功能(如肺的气血屏障、肝脏代谢、心脏搏动等)。

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器官芯片(OoC)主要组成部分

  • 微流控通道:模拟血管或器官腔道,允许流体(血液/营养液)流动,传递机械力(如剪切力); 

  • 多孔生物膜:分隔不同细胞层(如肺泡上皮与血管内皮),实现物质交换模拟; 

  • 活细胞/组织:人源细胞(干细胞、原代细胞)在芯片内形成功能性组织; 

  • 集成传感器:实时监测细胞代谢、pH值、氧含量等生理参数(部分高端芯片)。

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常见的器官芯片类型

器官芯片可以根据细胞来源分为普通器官芯片、类器官芯片;根据器官数量分为单器官芯片、多器官芯片;根据构建用途分为生理模型芯片、病理模型芯片等。

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现已用器官芯片“重现”了人体的许多部位,如大脑、肺、肠道、肝脏、肾脏、胰岛、心脏和软骨等。这些模型在器官再生、疾病研究、药物筛选等方面显示出巨大的前景。

目前,器官芯片技术正逐渐形成从单一器官多器官级联发展的趋势。串联芯片人体芯片将研究层次提升至多器官互作和系统水平,为研究复杂疾病机制、预测药物系统效应、开发更安全有效的疗法提供了可能,是基础医学研究和转化医学领域的一项颠覆性技术。现如今主要投入应用的器官芯片如下:

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器官芯片的优势

器官芯片(Organ-on-a-Chip)类器官(Organoid)都是用于构建微型人体组织模型的快速发展的技术。类器官可提供细胞复杂性,芯片可提供动态环境,二者结合形成的类器官芯片(Organoids-on-chip, OrgOC),既能保留类器官的生物复杂性,又具备芯片平台的可控性,堪称新一代“人体替身”,可覆盖药物开发全流程。

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类器官器官芯片在使用过程中均需建立预测性验证框架。

目前,器官芯片技术被学术界和产业界广泛应用于各个领域,包括毒理学、免疫学、基因治疗和癌症研究。在学术界,器官芯片使研究人员能够开发出基因表达更接近人体的新模型,从而更好地了解人体生理和疾病机制。在产业界,该技术主要用于在临床试验前帮助确定候选药物的疗效和毒性,帮助提高进入临床的药物成功率。

相比传统模型、细胞模型和动物模型器官芯片更贴近体内环境,可模拟人体器官结构、功能以及生理微环境,如细胞间相互作用、机械拉伸压缩、流体剪切等,为药物测试及疾病建模及个性化医疗提供更高的生理相关性。

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器官芯片相关研究案例

案例一:肿瘤类器官芯片

为克服传统肿瘤模型难以模拟体内肿瘤微环境(特别是血管化)和转移过程的局限性。复旦大学刘妍君课题组开发了一种基于微流控芯片的个性化平台,将患者来源的肿瘤类器官与血管内皮细胞共培养,构建了具有功能性血管网络的血管化肿瘤类器官芯片模型。成功模拟了肿瘤细胞侵袭血管、内渗进入循环系统以及远处转移,为研究转移机制和筛选个体化治疗方案提供了有力工具。

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案例二:类骨髓结构

现有研究方法难以在体外工程化构建并研究造血干细胞功能、模拟体内复杂细胞相互作用并展现天然免疫功能的自组织骨髓微环境,限制了体外技术在人类造血机制研究方面的潜力。美国宾夕法尼亚大学DanDongeun Huh课题组基于微流控器官芯片的技术,将人源血管内皮细胞和造血干细胞/祖细胞共培养于三维胶原基质中,利用流体流动诱导其自组织形成功能性结构。成功自组织形成包含功能性血管网络和造血生态位的类骨髓结构,首次在体外观察到由微环境产生的、具有关键免疫效应功能的天然免疫反应。

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案例三:3D工程化心脏芯片

为了克服传统2D培养和动物模型在预测人类心脏药物反应(尤其毒性) 上的局限性,构建高保真、灌注式的人类心脏微环境,用于药物筛选。天津大学的姚斌团队整合熔融静电纺丝直写(构建各向异性微纤维支架引导细胞排列)与微流控技术(实现精确灌注培养和药物递送),接种hiPSC-CMs形成3D工程化心脏芯片。成功模拟了人类心脏结构/功能,显著提升了组织成熟度,并对多种心脏(毒性)药物展现出高敏感、高预测性的生理相关反应,证明了其在药物筛选中的优越性。

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目前在生物医学研究和药物开发中,尚未有完全能替代动物实验的方法。

从生物医药产业的未来发展方向上,逐渐用更准确、更先进的人体模型来替代动物实验,是一个明确的方向。器官芯片、类器官技术作为一种新兴的生物医学工程技术,具有广泛的应用前景。但在短期内,要完全替代动物实验还很困难的。

但不管怎样,既然有这种风声出现,先人一步,卷在行业前列,还是很有必要的。 如果您对器官芯片感兴趣,我们24小时随时在线恭候大驾!研究无思路、模型难关联、分析不会搞,实验没资源,但又想开展这方面的课题研究,欢迎右上角联系客服随时来撩~

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