一种闭环微流控平台，通过物理化学调控和形态动力学反馈促进肠道类器官的成熟

《Gene》：A closed-loop microfluidic platform for enhanced gut organoid maturation via physicochemical control and morphodynamic feedback

本研究开发闭环微流控系统，集成CO2微反应器实现pH与氧气的动态调控，并创新性提出无标记形态动力传感器（DDI、CGI、TISE）实时监测器官球状态，显著提升存活率（>95%），减少缺氧核心形成（50%），促进生理分化，为疾病建模和精准医疗提供新工具。

　　

埃里克·夸梅·奥武苏（Eric Kwame Owusu）|多纳蒂安·辛津卡约（Donatien Sinzinkayo）|王月（Yue Wang）|刘娜（Na Liu）|岳涛（Tao Yue）

上海大学机电工程与自动化学院，中国上海

摘要

类器官技术从根本上改变了生物医学研究，但其仍受限于无法操控体内物理化学微环境的能力。在这里，我们提出了一个将工程学与生物学相结合的平台，将芯片上的类器官培养从静态艺术提升为动态、精确的科学。我们展示了一个闭环微流控系统，该系统能够按需生成二氧化碳（CO₂）微反应，以实现pH值和氧气的时空控制，并配备了一套新型的无标记、基于图像的形态动态传感器。这些传感器包括动态变形指数（DDI），用于量化结构稳定性；曲率生长指标（CGI），用于追踪形态发生活动；以及时间积分形状熵（TISE），用于测量表型变异性。这些设备共同实时监测类器官的状态，并自主维持生理稳态。我们证明这种方法能够改善类器官的健康状况，存活率超过95%，与静态培养相比，缺氧核心的形成减少了50%，并实现了稳健的、具有生理相关性的分化。我们的多功能工具包能够精确地研究和控制类器官，为智能体外系统树立了新标准，对加速疾病建模、药物筛选和个性化医疗具有重要意义。

引言

类器官技术通过开发三维模型，这些模型紧密复制了真实器官的结构和功能，从而彻底改变了生物医学研究。（Beaurivage等人，2020年；Bein等人，2018年；Hofer和Lutolf，2021年；Kocsy等人，2025年；Clevers，2016年；Lancaster和Knoblich，2014年）Sato等人证明，单个Lgr5+肠道干细胞可以自我组织成不断扩大的多细胞结构，包含所有关键的肠道上皮细胞谱系，因此肠道类器官成为发育、宿主-微生物组相互作用和炎症疾病研究的宝贵工具（Sato等人，2009年；Lukonin等人，2020年）。然而，在静态的Matrigel培养基中培养这些类器官会限制其生理相关性，因为它们在空间和时间上缺乏受控的环境信号（Giandomenico等人，2019年）。Fatehullah等人指出，这种静态环境无法复制自然干细胞微环境的动态机械和化学信号，导致异常的自我组织和有限的寿命（Fatehullah等人，2016年；Brostjan和Oehler，2020年）。

在体内，紧密调控的肠道上皮是由动态的、空间变化的物理化学因素梯度维持的（Pleguezuelos-Manzano等人，2020年）。例如，Zeitouni等人强调，陡峭的氧气梯度对于维持隐窝-绒毛轴至关重要。缺氧诱导因子（HIFs）对干细胞的功能和分化至关重要（Zeitouni等人，2016年）。同样，准确的pH值调节对于模拟消化系统和微生物组相关的相互作用也是必不可少的（Almeqdadi等人，2019年）。在体外培养过程中缺乏这种动态控制会导致坏死核心的形成、分化受损以及功能成熟度降低，从而限制了这些系统在疾病建模和药物筛选中的应用（Hofer和Lutolf，2021年）。

芯片上的器官（Organ-on-chip，OOC）技术利用微流控技术（Owusu等人，2025年），旨在通过创建可灌注的、具有机械活性的培养环境来克服这些限制（Bhatia和Ingber，2014年；Song等人，2025年）。Huh等人的开创性工作表明，微流控系统可以对肺泡施加生理循环应变（Huh等人，2010年）。同时，Kasendra等人将这一原理应用于开发人类十二指肠黏膜的微流控模型（Kasendra等人，2018年）。虽然这些系统成功引入了流体剪切应力和机械拉伸，但精确、实时的溶解气体和离子微环境（特别是氧气和pH值）的调节仍然是一个重大的生物工程挑战（Hou等人，2021年；Leung等人，2022年；Owusu等人，2025年）。这代表了一个关键的研究空白：缺乏一个闭环、集成的微流控系统，既能施加又能维持所需的物理化学状态，同时实时量化由此产生的生物反应（Sinha等人，2025年；Surina等人，2025年）。

目前大多数系统依赖于外部的大规模气体混合器或繁琐的培养基更换方式，这些方法速度慢、不准确，且无法产生局部、时间变化的梯度（Achberger等人，2019年）。例如，Achberger等人使用外部气体交换器来培养视网膜类器官，但这种设置缺乏捕捉快速微环境变化的时空分辨率（Nikolaev等人，2020年）。正如Ingber等人指出的，下一代OOC必须超越简单的灌注，实现真正模拟组织水平稳态的动态、多参数控制（Ingber，2022年）。

在这里，我们提出了一个基于物理原理的微流控平台，该平台旨在受流体动力学和气体传输物理规律的支配，旨在弥合肠道类器官培养中的技术空白。我们的方法在三个关键方面具有创新性：芯片上的微反应控制。我们介绍了一个集成微反应器，这一新型组件取代了效率低下的外部气体混合器。该反应器通过芯片上的酸碱反应生成二氧化碳微泡，从而快速、局部地控制pH值（通过二氧化碳溶解）和氧气（通过置换）。受到Bavli等人用于代谢研究的分段流动原理的启发，这种方法能够创建标准OOC中无法实现的动态梯度（Bavli等人，2016年）。无标记的形态动态传感（Shaked等人，2023年；Lai等人，2025年）我们不仅进行了简单的终点存活率测试，还引入了一系列基于图像的定量指标，以捕捉类器官发育的不同方面。动态变形指数（DDI）是一个无量纲指标，用于量化类器官形状周长相对于其面积的快速变化，作为结构不稳定性和细胞应力的早期指标。曲率生长指标（CGI）源自局部边界曲率的变化率，用于追踪健康类器官生长中的活跃形态发生过程，如出芽和分支。此外，时间积分形状熵（TISE）是一种统计指标，通过分析形状描述符的概率分布来量化类器官随时间的表型变异性，提供了关于发育一致性和稳定性的见解（Cutuli等人，2025年）。这些指标作为非侵入性的、实时的类器官健康、生长和结构适应性的指标，提供了连续的功能评估（Nikolaev等人，2020年），类似于Skylar-Scott等人展示的代谢成像，但更侧重于物理形态（Skylar-Scott等人，2022年）。通过结合传感器反馈和基于气泡的执行器，我们建立了一个闭环反馈系统（Font等人，2025年；Wen等人，2024年），从而主动将类器官微环境维持在生理设定点，直接解决了Ronaldson-Bouchard等人提出的自动化稳态需求（Ronaldson-Bouchard等人，2018年）。

这项工作通过提供一种方法论，来研究基本物理化学参数如何调控发育中肠道组织的遗传和表观遗传程序，从而架起了生物学与技术之间的桥梁。

小节片段

微流控芯片设计与制造

图1. 用于研究微环境的芯片上类器官平台的设计和功能集成。该芯片上类器官平台使用AutoCAD设计，并采用标准软光刻技术制造；它由三层架构组成：用于类器官培养的流动层、用于气动驱动的控制层以及用于生成二氧化碳（CO₂）的微反应器腔室（图1a）。

每层的母模都是使用SU-8 3050光刻胶通过光刻技术制造的（MicroChem，美国）

类器官芯片表征与控制的实验工作流程

图3所示的完整实验工作流程包括设备准备、表征和生物学验证的顺序阶段。设备预处理和基线培养（图3a，b）：微流控设备用磷酸盐缓冲盐水（PBS）处理，并涂覆Pluronic F-127以防止非特异性粘附。封装在Matrigel-胶原蛋白水凝胶中的肠道类器官被加载到培养腔室中。然后连续灌注IntestiCult?类器官生长培养基

结论

这项研究在类器官技术方面实现了范式转变，从静态培养转向智能的闭环控制系统。我们的平台证明了自主调节微环境对于在体外实现生理相关成熟度至关重要。通过建立实时形态动态传感与物理化学驱动之间的动态对话，我们释放了因培养引起的压力而受到抑制的肠道类器官的发育潜力。

作者贡献声明

埃里克·夸梅·奥武苏（Eric Kwame Owusu）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、数据管理、概念化。多纳蒂安·辛津卡约（Donatien Sinzinkayo）：可视化、研究、数据分析、数据管理、概念化。王月（Yue Wang）：软件、资源管理、项目协调、方法论、数据管理、概念化。刘娜（Na Liu）：可视化、验证、软件、资源管理、项目协调。岳涛（Tao Yue）：验证、监督、软件、资源管理。

资助

本研究得到了上海市科学技术委员会自然科学计划（编号23ZR1423700）和中国国家自然科学基金（NSFC）的支持（项目编号62373235、62433006、82203232）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

埃里克·夸梅·奥武苏和岳涛构思了这项研究并设计了实验框架。埃里克·夸梅·奥武苏和多纳蒂安·辛津卡约开发了微流控平台，进行了芯片上类器官实验，并进行了物理化学表征。埃里克·夸梅·奥武苏实现了图像分析流程，进行了数据分析，解释了结果，并撰写了手稿的初稿。王月和刘娜提供了类器官生物学方面的关键资源和专业知识。