多年來，器官芯片（organs-on-chips）一直保持著“經(jīng)典的”設(shè)計，但是由于近期的進(jìn)展，它們的設(shè)計復(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養(yǎng)物質(zhì)的流動液體，即這整個芯片模擬人體內(nèi)活器官的物理環(huán)境（如肺部中的呼吸運動，腸道中的蠕動）。

        盡管一些人提出這些芯片過于簡化人體生物學(xué)組織，但是通過逆向設(shè)計器官結(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)識哪些是生命運轉(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”的評論性論文中，美國哈佛大學(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取代動物測試和加快個人化醫(yī)療開發(fā)。

        Ingber說，“我們并不試圖重建人器官。我們試圖開發(fā)針對人活細(xì)胞的培養(yǎng)環(huán)境，并且設(shè)計痕跡盡可能的少，這將誘導(dǎo)這些細(xì)胞重建器官水平的結(jié)構(gòu)和功能，從而模擬我們在人體中觀察到的生理學(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)控整個有機(jī)體內(nèi)的病理生理學(xué)過程。他說，“生物體內(nèi)的溝通就是信息傳遞。無論它是否在分子、細(xì)胞、組織、器官或整個身體水平上，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，這就非常類似于血液在我們身體的血管中流動。這種肺芯片讓組織暴露在模擬呼吸運動的周期性伸展和放松運動之中。利用這些肺芯片，研究人員能夠測量**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)家們已證實利用從慢性阻塞性肺?。╟hronic 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)制在動物和人類中觀察到的反應(yīng)。不同的器官芯片也可通過流動液體連接在一起來模擬多種器官如何相互作用。來自這些實驗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，人們所需的其實是那么少。

        Ingber說，“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)，觀察會發(fā)生什么---每種參數(shù)單獨會如何起作用，它們一起時或不同組合時又如何起作用---我不知道還有任何其他的系統(tǒng)能夠讓我們在組織或器官水平上利用人細(xì)胞做到這一點。”

        利用干細(xì)胞技術(shù)將器官芯片組合在一起也為改善個人化醫(yī)療提供可能。比如，Ingber指出通過利用誘導(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)測試這種潛在的**。這種類型的個人化**開發(fā)程序?qū)?jié)省失敗的臨床試驗中所花費的**，從能有可能加快開出有益于病人的新藥。

        Ingber說，“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)皿中研究動物細(xì)胞或甚至人細(xì)胞。我認(rèn)為通過將器官芯片與誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞結(jié)合在一起，個人化醫(yī)療的概念就可能變成現(xiàn)實?！?