2019 年“世界爱眼日”前夕，世界卫生组织发布的全球首份《世界视力报告》指出，当前全球有超 22 亿人视力受损或失明，其中有超过 10 亿人是由于近视、远视、青光眼和白内障等未能得到必要治疗所致。
眼科疾病已然成为影响生活质量的一大危险因素，更安全有效的治疗以及给药方式备受期待。在此过程中，构建仿真度更高、更接近机体环境的的临床前眼科疾病模型对于了解病因、病理、疾病进展以及创新型疗法至关重要。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“先进院”）医工所杨慧研究员课题组的最新研究报告了，基于微流控技术的人眼角膜器官芯片，并在该芯片上验证干细胞外泌体对于人眼角膜损伤修复的效果。研究发现源自骨髓间充质干细胞的外泌体能够明显加速轻度角膜上皮伤口的愈合。相关研究已经发表于 iScience 上。
在研究中，该团队开发了一个由人角膜细胞和多孔膜组成的微流控平台，复制了多尺度结构组织和生物表型。同时还在芯片上验证了完全集成的人角膜屏障效应，以及外泌体的修复效果。
论文中指出，这项工作在体外高度还原人眼角膜生理特性和动态特征，有潜力用于评估外泌体应用于眼角膜修复这一新型治疗方法。
“该研究提高了在体外模拟人角膜与外界相互作用的能力，更有助于搭建针对眼科疾病等药物筛选平台。”杨慧说。
图|杨慧研究员（来源：受访者提供）
杨慧在瑞士联邦理工大学攻读博士学位并从事博士后研究，期间主要从事微流控与微纳米器件相关研究，还曾在欧洲微电子研究中心从事微纳米技术和生物传感器的研发及项目管理。2017 年，杨慧加入先进院并组建生物医学微系统与纳米器件课题组，开展相关技术的基础研究和应用转化工作。
她现在的重点研究方向是微纳流控技术和生物微机电系统在生物医学领域的基础和应用研究，包括基于细胞外囊泡、外泌体等新型生物物质的精准诊疗方案，生物单分子检测与成像技术。
“微系统、纳米器件与生物医学领域的交叉有其深层的原理。细胞是生物体结构和功能的基本单位，亚细胞结构直至生物分子，又在细胞内行使生命活动功能，这些物质最终揭示生命的本质，对他们进行深入研究，必须具备相同尺度的工具。正如丈量桌子可以用米尺，丈量这些微米直至纳米的生命物质，同样需要相同尺度的工具。这样才能实现对生物或医学样本的精准操作、测量、甚至工程改造，以及对深层科学原理的探究。”杨慧解释道。
构建完整人角膜芯片，或为多种眼科疾病提供平台性技术
外泌体是一类由真核细胞分泌的细胞外纳米级囊泡，能够介导细胞间的信息交流。有研究证实外泌体具有来源细胞的生物学特征，以干细胞外泌体为例，其具有分化再生、低免疫原性、抗炎舒缓作用以及移植后存活率高等特点。
外泌体与生物医药的诊疗密切相关，其本身具有治疗特性，同时又是非常好的疾病诊断生物标志物。“从物理尺度来看，微米尺度和纳米尺度以100纳米进行区分，在百纳米尺度会出现一些新的物理机制和效应。而外泌体约为百纳米级别，这一尺度上的契合，使得微纳米系统具备天然研究外泌体的优势。外泌体会是 Cell-Free Therapy（无细胞治疗）的关键方式。”
自2017年以来，杨慧课题组一直在探索微纳米和纳米器件在生物医学及医药领域的价值，尤其是在外泌体等新型生物物质。其中，一个重要应用场景便是在眼科疾病领域，包括眼表疾病以及眼底疾病等。
为了验证外泌体对于眼角膜损伤的修复效果，该团队从2018年开始尝试基于微流控技术构建人眼角膜器官芯片。“我们首先需要从工程学角度有效构建出疾病模型，通过工程学手段在体外环境中复现出完整的眼部生理结构。这在技术上存在一定的难点，比如说人体的眼表并非完全浸没在体液环境中，其与外界有一定的交互，还需要考虑如何在体外构建明确的生理结构。”
在本次的工作中，研究人员构建了一个由人上皮、内皮角膜细胞以及胶原涂层多孔膜组成的3D眼部体外模型——人角膜芯片。胶原涂层多孔膜模拟了角膜的中间三层，分别是前弹力层、基质层、后弹力层，并在膜的两侧分别培养角膜上皮细胞和内皮细胞，以此完整复现出角膜的生理结构。
角膜是眼睛最外层的器官结构，分为五层，由前向后依次为上皮细胞层、前弹力层、基质层、后弹力层以及内皮细胞层。
微流控设备集成了用于共培养的分隔通道，实现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，这些通道用于控制不同工作溶液独立进入不同细胞类型和微环境的参数。在疏水有机硅材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的器件上层构建了一个开放式结构，为角膜上皮细胞提供气液界面交互（Air-Liquid Interface）的培养条件，可以更精确地模拟眼表的生理环境。
据杨慧透露，人角膜芯片的仿真度在技术性、复现水平都可以可靠反映出人体角膜真实环境，基本可与国际一流的眼器官芯片研究团队水平相持平。
然后，他们对微流体装置进行表征，并通过在本研究中构建和测量人类角膜模型来验证其功能。他们在微流控芯片上构建了一个轻度角膜损伤模型，并研究了间充质干细胞外泌体的疗效。研究表明，无细胞治疗方式——间充质干细胞外泌体具有抑制角膜炎症和新生血管形成的作用。
杨慧告诉生辉，该角膜器官芯片改善了体外模型和外部环境之间的相互作用，有望为眼科疾病的体外验证提供了潜在的解决方案。
“从工程学的意义来看，我们构建了一个非常完整的眼表器官模型，为眼部疾病提供了更仿真的体外模型。更深层次来看，这项工作更为一系列眼科疾病提供了一项可供药物筛选和测试的平台性技术；从生物学意义来看，干细胞外泌体属于无细胞疗法平台性技术，本身可以发展为潜在的治疗药物。在本项研究中这两种技术平台还实现了相互支持以及相互佐证。”杨慧总结道。
据悉，该课题组后续还会在眼部生理功能评价和药物筛选等方面继续验证和优化这一工作体系，同时也计划将眼表疾病扩展到眼底疾病。
“并不回避探索应用的可能性”
上文提到，杨慧课题组的研究方向是微系统和纳米器件，研究本身也具备应用前景。
“生物医学工程科学具备这样的特质，如果只强调基础研究，而忽视应用场景，就好像射出去的箭没有瞄准靶子。我们的基础研究更多是从一些生命科学研究和临床实践需求出发，为解决这些问题设计和开发出一套解决方案。”杨慧说。
同时，她还强调不仅要瞄准靶子，还要体现出应用创新。应用创新背后更加依靠的是原始创新的科学研究体系，要实现应用创新关键就需要进行创新性研究。比如说，工程学科背景出身的杨慧，同样希望能够利用工程学思路去解决一些生物医药领域的难题。
据悉，杨慧课题组的微系统和纳米器件技术体系有明确的应用方向和场景，团队基于这些应用场景去做一些与转化和产业化紧密结合的工作。
“从实验室走向转化工作往往需要经过漫长的过程，这一过程可以简单分为从0到1，从1到10，从10到100，100到10000...。我们课题组当前的主要工作聚焦在从0到1阶段，也就是一些想法的实现和验证，接下来会探索研究结果的应用价值。”杨慧告诉生辉。
杨慧也提到，转化应用方式也比较多样化，团队几乎不会回避探索应用的可能性。
（来源：researchamerica）
“基础研究取得一定进展和突破之后，转化也是自然而然的事情。未来，我们不排除从1到10的尝试，很有可能自己结合应用场景做一些事情。”杨慧总结道。
微纳米技术主要研究微米甚至纳米微观尺度的物体和现象，被视为21世纪最重要的科学技术之一。其中，该技术的一个重要分支是微流控技术，这是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，也被称之为芯片实验室（Lab-on-a-Chip）或微流控芯片技术。
上文提到，在微米和纳米尺度会伴随着出现新的物理效应，这些物理效应才能对相同尺度的物质进行相应的操作、处理、及感知。比如说，如果要检测单分子上的微弱信号，需要传感检测的灵敏度足够高，这种工作体系就要求建立在微纳米技术体系上。就像如果要雕刻微雕，就得挑好合适尺寸的“刻刀”。
20世纪80年代，微流控技术开始兴起，并在DNA芯片，芯片实验室，微进样技术，微热力学技术等多个方向得到了发展。
“截止目前，虽然微流控技术体系已发展了近40年，但是现阶段微流控技术的应用还远未到达最为黄金的阶段。我认为，微流控技术体系还有很大的探索空间，在科学研究层面和技术推进层面都有巨大的想象和发展空间。”杨慧说。
在科学层面，就物理角度，需要从单一物理场做到多物理场耦合；从学科门类角度，这是一门非常交叉的学科，需要进一步实现物理、生物、化学、材料、信息等多领域的交叉和交互。
在技术和应用层面，要认识到该技术的前景和潜力，深入挖掘微流控系统在技术体系上的壁垒。比如说，增加流程复杂和精细化，利用更复杂的流程去分析和处理更复杂的难题。
以基于微流控体系的实验室自动化（lab automation）为例，这种方式代表了更高效的实验室运行方式，其可以将原本单一人工操作方式集成在一块芯片上，高效并行操作。同时也可以减少人工操作的误差，提高标准化水平，使实验室流程和操作更智能化。
参考资料：
1、https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(22)00470-9
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