CN102257124B - 芯片上器官装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自含式传感器控制的芯片上器官的装置，它允许以一种微型芯片的形式建立或维持器官或类器官以及干细胞的小生境，适合于通过活细胞成像以及例如双光子显微术进行在线观察，以及它们的用于例如检测化合物的活性、药效学和药物代谢动力学、或研究器官或类器官以及干细胞小生境的自组装、稳态、损伤、再生或相互作用，连同成熟、衰老、死亡以及生物钟学的现象的用途。

Description

芯片上器官装置
本发明涉及一种自含式(优选地传感器控制的)芯片上器官装置，该装置允许以一种微型芯片的形式建立或维持器官或类器官以及干细胞小生境，适合用于通过活细胞成像和例如双光子显微术进行在线观察，以及用于例如检测化合物的活性、药效学和药物代谢动力学、或研究器官或类器官以及干细胞小生境的自组装、稳态、损伤、再生或相互作用，连同成熟、衰老、死亡以及生物钟学的现象的用途。
现有技术
结构和功能性之间严格的相关性的模式适用于世界上生物学存在性的所有等级上。这些日益增加的生物学复杂性的等级在数百万年的进化过程中一步一步地显现出来。外部环境的轻微变化最可能触发存在性的连锁反应，这产生了自组装成下一个等级的复杂性的能力。对于人类来说，分子、细胞、类器官组织、器官、系统以及最终单独的生物体本身被认为代表了这些等级。现在已经证明几乎所有的器官和系统都是由多个、完全相同的、功能上自身依赖的、结构性单元建成的。这些类器官单元具有很小的尺寸，从几个细胞层到几个毫米。肝小叶、肾的肾单位、皮肤的真皮和表皮、肠粘膜、胰的胰岛、脑皮质和小脑的灰质和白质以及成体休眠促进干细胞小生境是这些人类的类器官结构的例子的小的选择，所有这些都具有显著的功能性和高度可变的成簇的几何形状。由于在对应的器官中这些微类器官的显著的功能性，高度的自我依赖性和多样性，使它们对任何物质的反应模式似乎代表了整个器官。大自然创造了非常小而复杂的生物结构从而实现器官和系统的大多数显著的功能。在一个给定的器官内这些结构的多次重复是大自然的风险管理工具用于防止在部分器官损伤期间功能性全部丧失。另一方面，进化上这种概念已经允许容易地按照给定物种的需要调节器官的大小和形状，例如在小鼠和人类体内的肝脏仍然使用几乎相同的总图来建成单个的功能性微类器官单元。用于测试预测暴露于人类的物质的独特而显著的可能性在于建立体外人类微类器官的等效物。一个第一芯片上器官装置，称为整合离散的多器官细胞培养(Integrated Discrete Multiple Organ Cell Culture)由Li等人在2004年描述于Chem.Biol.Interaction。这种装置是基于在常规的用凝胶覆盖的6孔板中的不同组织的静置培养，通过基于半固体培养基的扩散而连接不同的培养物。自从那时起，已经做出了重要的努力来开发培养系统和生物反应器(在体外更自然地模仿结构和体内环境)。一个综合性的汇总由M.A.Swartz等人在Capturing complex 3D tissue physiologyin vitro.Nat.Rev.Mol.Cell Biol.，7，211-224，2006给出。对于许多种不同的组织例如对于肾小管(Minuth et al：The formation of pores in thebasal lamina of regenerated renal tubules.Biomaterials，29，2749-2756，2008)或对于神经组织(Hillenkamp et al：Maintenance of adult porcineretina and retinal pigment epithelium in perfusion culture：Characterizationof an organotypic in vitro model.Experimental Eye Research，86，661-668，2008))开发了多种微型灌流培养系统。
现有的3维培养系统和生物反应器没有一个被设计为在一个独立于设备的自含式的并且可在线观察的芯片环境中满足关于尺寸、形状的要求以及不同的类器官的营养要求。通过将本发明应用到例如来建立人的类器官，在暴露于人体体内之前，可以预见一个对于物质(如化学品、药品、营养制品以及美容保健品)新的质量的生物安全性和疗效的测试。
发明概述
本发明涉及一种自含式芯片上器官装置1，该装置包括：
(a)至少一个培养基进料池2，
(b)至少一个器官生长区域3，包括至少一个器官腔4、4a、4b，并且
其中该培养基进料池2通过一个微流控进料通道6连接到至少一个器官生长区域3上。
在另一方面，本发明涉及一种自含式芯片上器官装置1，包括：
(a)至少一个器官生长区域3，包括至少一个器官腔4、4a、4b，并且
(b)其中该至少一个器官腔4、4a、4b包括至少一个传感器8、8a、8b和/或被连接到其上。
在另一方面，本发明涉及一种自含式芯片上器官装置1，包括：
(a)至少一个器官生长区域3，包括至少一个器官腔4、4a、4b，并且
(b)其中该器官生长区域3包括至少一个干细胞腔9。
在另一方面，本发明涉及一种制造本发明的自含式芯片上器官装置1的方法，该方法包括将一个培养基层12流体密封地结合至一个生长区域层13或它的部分的步骤。
在另一方面，本发明涉及在运行过程中用于维持本发明的自含式芯片上器官装置1的一个电源单元17，包括：(a)用于可释放地接合自含式芯片上器官装置1的保持装置18以及(b)用于将在自含式芯片上器官装置1上的相应的多个接头连接至电源单元17上的多个电接头19。
一种在本发明的自含式芯片上器官装置1中建立器官和/或类器官的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将一种细胞悬液和/或一种组织切片载入一个或多个器官腔中4、4a、4b中并且
(b)流体密封地将该一个或多个器官腔4、4a、4b密封。
在另一方面，本发明涉及测试一种或多种测试化合物对在本发明的自含式芯片上器官装置1中建立的一种或多种组织、器官和/或类器官的影响的方法，该方法包括：
(a)提供一个包括一种或多种组织、器官和/或类器官的本发明的自含式芯片上器官装置1或者
在本发明的自含式芯片上器官装置1中实现建立一种器官和/或类器官的方法，
(b)将一种或多种测试化合物加入至该器官和/或类器官中
(c)以显微方式评价该器官和/或类器官和/或
确定由一个或多个传感器8、8a、8b可确定的一个或多个参数。
在另一方面，本发明涉及包括一种或多种组织、器官和/或类器官的本发明的自含式芯片上器官装置1用于测试一种或多种测试化合物对这些组织、器官和/或类器官的影响或用于检查器官或类器官的功能的用途。
附图简要说明
图1：包含上封闭层14和器官腔层15的一个部分组装的自含式芯片上器官装置1的一个截面的一个优选的实施方案的俯视图。由于上封闭层14和器官腔层15在彼此的上下方，在此处描绘的俯视图中不能区分它们并且，因此在这个图中未标记出上封闭层14和器官腔层15。这个截面包括六个单独的器官生长区域3，每一个区域包括三个器官腔4、4a、4b。为了揭示其中包含的特征，这些部分是半透明地画出的。然而，在一些优选的实施方案中用于生产上封闭层14和/或器官腔层15的材料是部分地或全部地半透明的。从上培养基层12(未显示)进料的培养基穿过微流控进料通道6，优选地流到器官生长区域3的中心，从而允许将该培养基均匀分配到包含在一个器官生长区域3中的一个、二个、三个或更多个器官腔4、4a、4b中。优选地，将该培养基从位于与干细胞腔9相对的一个出口10进料到该器官生长区域中，干细胞腔9位于器官腔层15中。因此，干细胞可以与新鲜的培养基一起流入邻近的器官腔4、4a、4b中从而补充/再生构成对应的器官和/或类器官的细胞群。优选地，一个器官生长区域3的器官腔4、4a、4b由形成不同组织、器官和/或类器官的不同细胞群占据，这允许例如同时测试一种化合物对一个以上器官或类器官的影响。优选地，将器官腔4、4a、4b微结构化从而支持将该细胞群组织成对应地想要的器官和/或类器官。某些组织、器官和/或类器官将需要形成和/或有待维持一种特殊的微环境(例如不断改变的压力、器官腔内培养基的二次流、特殊的另外的培养基等)。将器官腔4结构化从而提供几个分离的微腔，这些微腔支持例如神经元的建立和/或维持。将官腔4a结构化从而提供一个加压的环境，该环境支持例如骨和/或软骨结构的建立和/或维持。将器官腔4b结构化从而在该器官腔内提供一个二次流，这支持例如血管化皮肤的建立和/或维持。优选地，将器官腔4、4a、4b通过上封闭层14在上端分隔开并且通过下封闭层16在下端分隔开，同时在器官腔层15中形成该腔的侧面。因此，需要用于器官生长和/或维持的微结构还可以由器官腔4、4a、4b的上和/或下端来提供。优选地，允许培养基流入微流控废物通道7、7a、7b的出口以这样一种方式位于与微流控进料通道6的出口10相对的位置上，即从入口10流入器官腔4、4a、4b的任何培养基在它穿过废物通道7、7a、b的入口流出该器官腔之前优先地流过整个器官腔4、4a、4b。然后，优选地，该废弃培养基流过在一个器官生长区域3内的每个器官腔4、4a、4b的分离通道7、7a、7b，到达位于流动路径8、8a、8b中的一个或多个传感器。因此，可以单独地测定包含在一个器官生长区域3的器官腔4、4a、4b中的每一个器官和/类器官对一个给定的化合物和/或环境改变的响应。此后该培养基流入培养基废物池5。虽然为一个器官生长区域3的所有器官腔4、4a、4b的废弃培养基或甚至为一个自含式芯片上器官装置1的所有器官生长区域提供一个共同的培养基废物池5是可能的，优选的是为每一个器官生长区域的废弃培养基或优选地为每一个器官腔4、4a、4b提供一个培养基废物池5，从而避免废弃培养基的混合。还优选的是将在一个器官生长区域3中或在不同的器官生长区域3中的具有相同微结构的所有器官腔连接至一个废弃培养基，从而避免来自不同器官或类器官的废物的混合。在一个优选的实施方案中，其中将器官生长区域3的每一器官腔4、4a、4b连接至一个分离的废物池5，从单独的废弃培养基池5中取出一个样品或所有的废弃培养基并且单独地对来自一个器官和/或类器官的每一废弃培养基进行进一步分析是可能的。废弃培养基池5腔优选地位于培养基层12中的(未显示)。在这个图中描绘的优选的实施方案中，在上封闭层14和器官腔层15中提供了一个对应的矩形开口。因此，在这个实施方案中，培养基废物池5延伸几乎穿过在下封闭层16的底部和培养基层12的上端之间的该整个的自含式芯片上器官装置1，因此提供了用于容纳该废弃培养基的最大的空间。
图2A：一个自含式芯片上器官装置1的一个优选的实施方案的分解视图，该装置包括培养基层12、器官生长区域层13，该器官生长区域层包括一个上封闭层14、器官腔层15以及下封闭层16。培养基层12包括允许进入位于器官生长区域层15中并且在上下封闭层之间的器官生长区域3的多个开孔。这些开孔的尺寸优选地与位于下方的对应的器官生长区域3的开孔的尺寸相称，从而允许进入一个器官生长区域3内的每一器官腔4、4a、4b中。优选地，通过这个开孔直接地将用于建立对应的器官或类器官的细胞群(优选地一个细胞悬液和/或组织切片)载入器官腔4、4a、4b中，然后将该器官腔进行密封从而避免污染载入的细胞群。优选地这个密封是流体密封的但是是气体可渗透的。可替代地，从一种或多种干细胞生成该整个细胞群，可以将该一种或多种干细胞与培养基一起通过微流控进料通道6引入该器官生长区域和/或通过一个另外的进入口直接进入干细胞腔9。此外，将一个培养基进料池2置于培养基层12内。优选地这个池配备了一个进入口从而允许将所要求的培养基供应进入培养基进料池2中或者培养基层12可以配备一个预先充满的培养基进料池，该预先充满的培养基进料池可以配备一个开口从而允许空气进入该培养基进料池。为了灵活性，在使用时，可以将包括预先充满的培养基进料池2的培养基层12连接至器官生长区域层13从而形成自含式芯片上器官装置1或者可以或者将一个预先充满的培养基进料池2或者将一个空的培养基进料池2(在使用时充满该进料池)提供给该完全组装的自含式芯片上器官装置。此外，培养基层12包括一个或多个培养基废物池5。将这些与器官生长区域3并且具体地与包含在其中的器官腔4、4a、4b进行流体连接。优选的是将一个传感器8、8a、8b置于将单独的器官腔与培养基废物池5进行连接的流动路径7、7a、7b中的，优选地置于该自含式芯片上器官装置1内。在优选的实施方案中，这个图中描绘了将相似形状和大小的一种开孔提供给该上封闭层、该器官腔层、以及该培养基层中从而形成培养基废物池5。下封闭层16配备了多个电接头19从而：(i)向加热装置11提供电力，该加热装置可以位于器官腔4、4a、4b、培养基进料池2的底部或者可以位于该下封闭层的任何部分；和/或(ii)提供连接至多个传感器装置和/或驱动器(加压装置、泵、温度传感器等)，这些传感器装置和/或驱动器优选地位于器官腔4、4a、4b内或可以将这些传感器装置和/或驱动器置于该下封闭层的任何其他部分中；和/或(iii)提供连接至多个传感器8、8a、8b。
图2B：下封闭层16的上面的俯视图。描绘了优选地用铟锡氧化物(ITO)制造的加热装置11、一个优选地具有用铂制造的曲折状结构的温度传感器23、以及优选地用金制造的多个电接头19。类似地用金制造该多个导电通路。下封闭层16优选地用玻璃制造并且至少在多个器官生长区域3的区域中是半透明的，从而允许透射显微镜检查。优选地下封闭层16配备了多个温度传感器，以便控制该器官生长区域3内的温度。
图3：一个器官生长区域3的一个优选的实施方案的分解视图，该器官生长区域包括三个器官腔4、4a、4b。在这个优选的实施方案中，这些器官腔4、4a、4b每一个是封闭的或是通过上封闭层14在上侧至少部分地封闭的，该上封闭层包括多个微结构、提供大多数所需要的微结构的器官腔层15以及下封闭层16，该下封闭层提供了例如阻抗测量装置22以便评定一个适合神经生长的器官腔中的阻抗。
图4A：包括一个器官生长区域3的器官腔层15的一个优选的实施方案的一个截面上的俯视图，该器官生长区域包括三个不同地结构化的器官腔4、4a、4b。在器官生长区域3内培养基流入器官腔4、4a、4b，从微流控进料通道(未显示，因为在这个实施方案中它位于上封闭层上)的出口10开始(该出口与干细胞腔9并列)进入器官腔4、4a、4b中并且通过三个分离的微流控废物通道7、7a、7b流出来。通过直的白色箭头描绘了液体流动的方向。优选地，在这些器官腔内的流动是从生长区域中间的培养基出口放射状地流出，流向位于生长区域周围的废物通道7、7a、7b的入口。在提供用于建立/维持血管化皮肤的一个环境的生长腔中，通过位于器官腔4b的侧室中的加压装置或泵产生一个二次流体流21。
图4B：包括三个器官腔4、4a、4b的一个器官生长区域3的部分的三维视图，其中将一个成体干细胞腔9的一个优选的实施方案放置在三个器官腔4、4a、4b的中心。
图5：包括一个器官生长区域3的中段的一个优选的器官腔层15的一个截面的俯视图A和仰视图B，该器官生长区域包括三个器官腔4、4a、4b。器官腔4、4a、4b的上和下密封对应地由上和下封闭层提供(未显示)。图A描绘了以出口10为终点的微流控进料通道6。图B描绘了位于与出口10相对的干细胞腔9。
图6：自含式芯片上器官装置1的一个优选的实施方案的剖视图。描绘的是培养基层12和器官生长区域层13，它们通过保持装置18而固定就位，这些保持装置还提供了包括多个电接头19的至少一个接触面，这些电接头可释放地连接至该自含式芯片上器官装置1的底面上的对应的多个接头。电源单元17提供用于例如加热、泵送和/或电刺激的电力，并且优选地包括一个数据处理单元，以便评估和/或指示来自一个或多个传感器的信号。
图7：一个整合的电源单元17的一个优选的实施方案的三维视图，包括在自含式芯片上器官装置1的两个侧面上的保持装置18。多个电接头19将自含式芯片上器官装置1连接至电源单元17上并且过热指示器装置(20)指示在对应的器官生长区域3中过热。
图8：图8的三组图A、B以及C每一个都显示不同的干细胞腔9的三维视图和横断面图。图面A显示一个示例性的新生儿干细胞小生境腔9a；图面B显示一个示例性的出生前/出生后的干细胞小生境腔9b；并且图面C显示一个示例性的成体休眠促进干细胞小生境腔9c。
发明详细说明
在以下更详细地描述本发明之前，应当理解的是本发明并不限于在此描述的特定的方法学、科学试验计划以及试剂，因为这些可以改变。还应当理解的是在此使用的术语仅仅是为了描述具体的实施方案的目的，并不旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求进行限制。除非另外定义，在此使用的所有的技术的和科学的术语具有与本领域中一个普通技术人员所通常理解的相同的含义。
优选地，在此使用的术语如在″A multilingual glossary ofbiotechnological terms：(IUPAC Recommendations)″，Leuenberger，H.G.W，Nagel，B.andH.eds.(1995)，Helvetica Chimica Acta，CH-4010Basel，Switzerland)中的描述进行定义。
除非上下文有另有要求，贯穿本说明书和随后的权利要求中，词语“包括”以及变体如“包括有”和“包括了”，应当被理解为隐含包含一个所陈述的整数或者步骤或者多个整数或步骤的组，但不排除任何其他整数或步骤或者多个整数或者步骤的组。在以下段落中更详细地定义了本发明的不同方面。除非清楚地指出存在矛盾，可以将如此定义的每一方面与任何其他一个方面或多个方面进行组合。具体地，可以将表明为优选的或有利的任何特征与表明为优选的或有利的任何其他一个特征或多个特征进行组合。
贯穿本说明书的正文引用了若干文献。在此引用的每一文献(包括所有的专利、专利申请书、科学出版物、制造商的说明书、技术说明书等)，无论在上述中还是在下述中，以其全部内容通过引用结合在此。在此没有任何事物可以解释为承认由于现有发明本发明没有权利为这个披露写上较早的日期。
以下提供了在此说明书中频繁使用的术语的一些定义。在它的使用的每一个实例中，在说明书的剩余部分中，这些术语将对应地具有定义的含义和优选的含义：
“自分泌因子”：是由细胞分泌的所有那些物质，这些物质支持和介导分泌该因子的相同细胞的维持、生长或分化。
“旁分泌因子”：是由一种细胞分泌的所有那些物质，这些物质支持和介导另一个但是邻近的细胞的维持、生长和分化。
“自我调节”描述了导致改进细胞行为的所有因子。
“分化”表示培养细胞的组织特异性功能的发育。
“维持”描述了在一个特定的细胞培养过程中保持一种特定的组织所有功能不变的能力。
“活细胞材料”描述了细胞、细胞团块、组织、类器官以及器官。
“细胞”表示细胞系或脊椎动物或无脊椎动物的原代细胞。
“组织”代表活组织检查材料或取自病人或动物的外植体。
“类器官”表示在体外不同类型的细胞人工的重新产生的功能性的细胞团块，该细胞团块显示至少一种器官或组织的功能，优选地显示大多数的器官或组织的功能。
“器官”表示在体外不同类型的细胞的人造的重新产生的功能性的细胞团块，该细胞团块显示天然器官的所有功能。
“培养基(Medium)”(复数形式“media”)表示具有用于培养细胞的营养素和物质的支持生长的液体。
“补充物”描述了为了诱导或改变细胞功能有待加入培养基的物质，该物质可以具有一种定义的组合物像例如纯化的或重组的细胞因子或生长因子，或者该物质是未定义的像例如血清。
“基质”表示多种物质或多种物质的混合物，该多种物质或多种物质的混合物提高了细胞的增殖、分化、功能或者类器官或器官的形成。可以将基质材料包被在表面上或者可以将基质材料提供于大体积的应用中以便优化细胞贴附或允许进行三维培养。可用于本发明的背景中的基质可以采取多种性状，包括例如水凝胶、泡沫、织物或无纺织物。该基质材料可以包括天然发生的基质物质像细胞外基质蛋白，优选地胶原、层粘连蛋白、弹力蛋白、玻连蛋白、纤连蛋白、小基质细胞蛋白(small matricellular proteins)、小整联蛋白结合糖蛋白(smallintegrin-binding glycoproteins)、生长因子或蛋白聚糖，或可以包括人工基质物质如不可降解的聚合物(如聚酰胺纤维、甲基纤维素、琼脂糖或藻酸盐凝胶)或可降解的聚合物例如多乳酸化合物(polylactid)。
“微流控”涉及流体的行为、精确控制以及操纵，将这些流体几何学上限制到一个小的典型地亚毫米的尺寸。微流控表示以下之一或二者：(i)小体积(μl、nl、pl或fl)，即优选地该多个器官腔具有一个1mm3或更小的体积并且微流控通道能够允许在一个0.5至5Pa的压力(即0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、或5.0)下每天0.1至2mm3之间的培养基的流量，以及(ii)小尺寸，即通道直径为大约100纳米至几百微米。在本发明的背景中，优选地一种微流控通道具有一个在100nm至1mm之间的直径，优选地在0.5μm至200μm之间，更优选地在1μm至100μm之间(即1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100μm)。如果该通道的开口不具有圆形横截面，则该开口优选地具有一个在该范围内的表面积，并且在如以上指出的具有圆形横截面的通道的表面积的优选的范围内。
为了克服与现有技术的细胞培养系统相关的问题，本发明提供了一种自含式芯片上器官装置1，包括：
(a)至少一个培养基进料池2，
(b)至少一个器官生长区域3，包括至少一个器官腔4、4a、4b，并且
其中将培养基进料池2通过一个微流控进料通道6连接到至少一个器官生长区域3。
术语“自含式”是指以下事实，即在至少一个器官生长区域3中用于器官、组织或类器官的分化和维持所需的培养基和补充物是从该芯片上器官装置1内提供的(即将至少一个培养基池2包含在该芯片上器官装置1内并且通过该芯片上器官装置1内的微流控通道6连接至器官生长区域3和/或连接至包含在一个或多个器官生长区域3内的一个或多个器官腔4、4a、4b)。因此，没有从一个外部流体池提供流体的流体连接。因此，可以处理和移动自含式芯片上器官装置1，而没有污染培养基并且随后污染器官生长区域3内的细胞的危险。另外，优选的是，以一个被动的方式(例如通过一个膜或生物相容性聚合物箔从环境通过扩散进入培养基)将气态介质(例如O2/CO2)提供至器官生长区域。这种膜或聚合物箔优选地是流体密封的。此外，优选的是允许处理该芯片上器官装置。优选地，该膜或箔至少部份地覆盖了器官生长区域3，因此允许O2/CO2流动穿过多个器官腔扩散进入培养基。在一个优选的实施方案中，在已经将细胞载入这些器官腔之后形成或贴附该膜，或者该膜形成了该芯片上器官装置的一个整体部分。因此，在一个优选的实施方案中该芯片上器官装置不包括连接外部气态介质供应的接头和/或不包括用于主动地对该培养基进行充气的装置。优选地，没有将该培养基穿过器官生长区域3进行重复循环，但是将它从一个或多个培养基池2穿过器官生长区域3流入一个或多个培养基废物池5中。
一个“芯片上器官装置”是指一种组件，该组件优选地用多个单独的结构化的和微结构化的层制造，这些结构化的和微结构化的层彼此进行流体密封地连接并且优选地能够提供一种流体密封的环境(并且因此优选地无菌的环境)。优选地确定该装置的尺寸以便用于标准的高通量的装置中，即具有一个标准的微量滴定板或条的尺寸。因此，优选地宽度是在2至10cm之间，优选地1、2、3、4、5、6、7、8、9、或10cm和/或长度在3与15cm之间，优选地3、4、5、6、7、8、9、10、11、1、12、13、14或15cm和/或高度在0.2与10mm之间，更优选地在1和4mm之间，即0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1，8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0或10.0mm。为了与标准的微量滴定板的形式一致，该宽度对长度的比率优选地是大约1∶3。特别优选的是一个2.5cm宽度、7.5cm长度以及3mm高度的尺寸。
优选的材料包括SiO2、玻璃、以及合成的聚合物。优选的合成的聚合物包括聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPSE)、环氧树脂(EP)、不饱和聚脂(UP)、酚醛树脂(PF)、聚硅氧烷例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、三聚氰胺树脂(MF)、氰酸酯(CA)、聚四氟乙烯(PTFE)以及它们的混合物。特别优选的合成的聚合物是光学上透明的并且包括例如聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、以及聚硅氧烷例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
一个器官生长区域3是芯片上器官装置1内的一个微结构化的区域，芯片上器官装置1为类器官和/或器官分化和/或维持提供了整个的微环境，优选地包括培养基入口、培养基出口、干细胞腔(参见以下)、多个传感器(参见以下)、一个容纳形成对应的类器官和/或器官的大多数细胞的器官腔4(参见以下)和/或一个开放表面，一旦已经将细胞/组织载入器官生长区域3中，该开放表面可以以一种基本上流体密封的并且可透气的或流体密封的并且可透气的方式通过适当的装置(包括一种膜例如PTFE膜、纤维蛋白薄片、其上喷药的邦迪创伤贴薄片(spray-on band aid sheets)和/或凝结产品薄片(sheets of coagulationproducts)，或通过覆盖开口的多个柔韧的薄片(例如，用柔韧的材料像聚硅氧烷例如PDMS制造的唇状物)进行覆盖。在一个优选的实施方案中此类柔韧的薄片将覆盖该整个的器官生长区域并且在每一器官腔4、4a、4b的区内具有开孔，允许通过该开孔进入单独的器官腔4、4a、4b。这些柔韧的薄片具有以下优点，即该器官生长区域3仍然是可进入的，而没有必要在进入之后再次密封该膜。优选地，该覆盖的表面是流体密封的但是是可透气的并且，因此允许器官生长区域中的细胞与环境之间进行O2和CO2的交换。优选地该器官生长区域具有一个基本上圆形的或圆形的形式，当该器官生长区域包括多于一个的器官腔时这是有利的。在这个优选的实施方案中，该器官生长区域基本上具有一个扁圆柱体的形式，然而该扁圆柱体并不是完全中空的但是包括贯穿本说明书概述的结构和微结构。一个器官生长区域的直径对高度的比率优选地在2∶1至6∶1之间，更优选在3∶1至5∶1之间。具体地，如果它包括二个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或更多个器官腔4、4a、4b时，该圆形结构是有利的，因为通过在该圆的中心具有一个出口10的一个微流控进料通道6提供培养基是可能的。然后将该培养基在器官腔4、4a、4b之间进行均匀分配，这些器官腔4、4a、4b每一个具有一个圆形的区段的形式并且从三维角度看是一个圆柱体的区段的形式。优选地，一个生长区域具有0.1至3cm2的表面优选地0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0cm2，特别优选的生长区域具有一个在0.3至0.7cm2之间的表面积，优选地0.56cm2。如果该生长区域具有一个圆形的形状，优选的是它具有一个在0.1与1cm之间的直径，优选地0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、或1.0cm，最优选地0.6cm。典型地一个芯片上器官装置将包括多于一个的器官生长区域3。给定每一个器官生长区域3的指示的优选尺寸，将大量的分离的器官生长区域安装在一个芯片上器官装置上是可能的。优选地，一个芯片上器官装置包括3与2000个之间的器官生长区域3，优选地3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、24、30、36、48、60、72、84、96、108、120、132、144、156、168、180、192、204、216、228、240、或更多。在优选的微量滴定板样形式中，将6、24、96、384或甚至1536个器官生长区域3以一个2∶3矩形矩阵的形式安排在该芯片上器官装置上。
如以上展示，一个器官生长区域3包括一个称为“器官腔”的腔，该腔容纳包含在该器官生长区域中的大多数(即至少80％，优选地85％、90％、95％、98％或更多的细胞)细胞。按照可能的情况，器官腔4、4a、4b优选地具有适当的尺寸、形状以及用于每一特异性器官的营养物并且提供了引入微结构和微环境的另外必需的元件的入口连同将细胞悬液、细胞簇和/或组织切片载入芯片上器官装置并且用适当的材料包被该器官腔从而吸引/维持一种如以下更详细地概述的特定类型的细胞。此外，如以下更详细地说明，可以用多个传感器、多个微驱动器等装备该器官腔，实际上可以将该器官腔进行细分从而形成几个“亚腔”(可能要求这些亚腔来模拟用于具体的组织或器官类型的正确的环境)。优选的是一个生长区域内的每一个器官腔为不同的器官和/或类器官(例如神经元、心脏组织、软骨、骨和/或血管化的皮肤)提供适当的微环境。以这种方式，同时评定一个具体的化合物对几种组织、类器官和/或器官的影响是可能的。可替代地，一个器官生长区域可以包括相同类型的二个或更多个器官腔，这将允许通过将从二个、三个、四个或更多个器官腔平行获得的结果进行平均来测量一个给定的具有较高的统计学显著性的化合物的影响。此外，一个器官生长区域可以包括一个含有一种特定细胞类型的细胞的器官腔，该特定细胞类型的细胞可以用作标准品用于每一测量。典型地，一个器官生长区域内的一个器官腔具有1x102至0.01mm3之间的体积，优选地100、90、80、70、60、50、40、30、20、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0.09、0.08、0.07、0.06以及0.05mm3，优选地1mm3。优选的是，一个给定的生长区域内的每一器官腔具有类似的(例如±20％)或相同的体积。如果该生长区域包括二个或更多个器官腔4、4a、4b，优选的是它们相对于微流控进料通道6的一个出口10是放射状地排列的。在这个优选的实施方案中，优选地以一个盘的多个圆锥段的形式安排器官腔4、4a、4b，其中该盘是器官生长区域3。
优选地，通过细分成二个、三个、四个或更多个腔(包括或包含一个主腔以及一个或二个侧腔，该一个主腔以及一个或二个侧腔均进行流体连接)将该器官腔进行子结构化。优选地，它包括一个提供脊、通道、漏斗结构的结构化的内表面，目的是对一个适合于支持对应地想要的类器官和/或器官的生长和维持的环境进行划界。因此，一个器官生长区域3内的器官腔4、4a、4b提供了用于一种特异性器官(例如肺泡、皮肤的表皮和真皮、肠粘膜、肝小叶、肾的肾单位)或一种特异性系统(例如血液系统的微脉管系统、神经系统的灰质)的最小的功能上自身依赖的结构单元的自组装、维持和/或重新组装的空间。用于体内定向的器官组装的自然原理的构件是尺寸、形状、营养特征、微结构(例如细胞外基质和膜连同表面特性)以及局部微环境(例如形态发生素和趋化因子梯度)，在本发明的芯片上器官装置中对这些进行了模拟。优选地，该器官区域包括多个器官腔的一个组合，该多个器官腔具有支持以下器官组合的生长的多个结构：肝小叶以及皮肤的表皮和真皮，优选地包括毛囊，任选地包括连接两个器官腔的一个微脉管系统。
优选的器官腔4、4a、4b被设计为脑组织4、杂交的骨/软骨类器官4a以及血管化的皮肤4b(优选地具有毛囊)提供适当的环境。进一步优选的组织是肝段、肾以及肠的粘膜。
在器官腔4被设计为用于培养中枢神经组织的一个优选的实施方案中，该器官腔配备了三个、四个、五个或六个分离的空间，用于维持例如皮质或小脑的灰质的不同层(从外周至中心-颗粒细胞层、分子细胞层和浦肯野细胞层、以及由神经形成的白质层)。将脑的对应部分的组织切片载入这个器官腔的三个灰质区域中或者将对应的神经元填充这个器官腔的三个灰质区域中并且与必要量的神经胶质细胞进行混合。这些区域之间的壁允许树突和轴突通过。基于神经的轴突位于直接连接到干细胞腔9的区段中(参见以下)并且，因此可以穿过干细胞腔9的上部到达其他的器官腔4。在相关区段的底部可以提供阻抗测量装置，并且该阻抗测量装置可以用作传感器来证明功能性灰质层连接的重建。
在器官腔4a被设计为培养一种如存在于关节中的杂交的骨/软骨类器官的一个优选的实施方案中，该器官腔被细分为一个中央骨区和一个代表软骨区的外周部分。将胶原基质、成软骨细胞以及软骨细胞载入该软骨区(优选地该软骨区大于该骨区)，并且将该软骨区通过一个整合在这个区段的周围的小型的小生境中的加压装置进行不断地或周期性地加压。优选地通过用一种箔或柔韧的薄片将上封闭层14进行流体密封的方式在其顶部封闭这个区段，该箔或柔韧的薄片优选地是氧不可渗透的。可以用骨生长因子像例如骨形态发生蛋白(BMP)包被对于中央骨区段的界面。优先地，可以将载有破骨细胞和成骨细胞的骨髓透明隔的或钙化的胶原基质载入该骨区段中。
在器官腔4b被设计为培养一种血管化皮肤等效物的一个优选的实施方案中，与二个外周池进行流体密封地连接并且由生物可降解的或合成的聚合物形成的一种微血管允许内皮细胞汇合性地贴附至内壁并且向外生长进入外围组织中。在这些池之间提供了一个泵送装置用于循环血液或血液代用品穿过导管。可以用细胞外皮肤基质以及角质化细胞悬液和/或皮肤的组织切片填充该器官腔。此外，可以将毛囊种入该区段，由此在器官腔中提供了发育血管化皮肤等效物的结构和微环境。任选地，提供了一种可降解的基质或预装配的微通道，可以通过内皮细胞将该可降解的基质或预装配的微通道植入从而在一个器官生长区域3内的一个器官腔中或在二个或更多个或所有的器官腔4、4a、4b之间形成一个毛细管网。
在一个优选的实施方案中，器官腔被设计为通过通过提供一个跨过该整个肝段的O2梯度以及将一个“血液侧”和一个“胆汁侧”提供给该极性肝细胞，提供一个间隔环境支持肝段的形成，，该环境允许具有最大长度为500μm的肝段的生长。可能产生的任何胆汁可以通过一个为此目的而提供的微通道排出到分离的废物池中。因此，将从该器官段的中心提供该肝段，而废物(包括任选地分离的胆汁)处理微通道将位于周围。可以设想的是使用含孔的胶原基质或预结构化的合成支架来允许窦状细胞的贴附以及Disse间隙的形成。可以设想的是将肝细胞层植入一个半固体或固体基质内的器官腔中，用于与该内皮细胞和枯否细胞进行最佳的相互作用。
在该芯片上器官装置的运行过程中，在一个生长区域3内的二个、三个、四个、五个或更多个器官腔4、4a、4b中分别形成的二种、三种、四种、五种或更多种不同的组织、类器官、或器官可以彼此相互作用。可以通过例如神经(从4)和/或微毛细管(从4b)向外生长进入其他腔而在器官腔之间发生相互作用。可以通过在两个不同的器官腔4、4a、4b之间分别地提供的连接通道/开口(可以根据需要进行开放或关闭)和/或通过位于中央的干细胞腔9发生此类相互作用。如以上已经指出的，优选的是提供允许培养基在一个器官腔4、4a、4b内和/或一个器官生长区域3内流动的毛细管。为此，可以将或者可以用内皮细胞大批植入的预装配的非可降解的微通道或者可降解的基质例如来自基质胶安排在器官生长区域中，从而连接二个或更多个器官腔。然后内皮细胞将利用该基质的引导进行生长。可替代地，可以提供一种合成的不含细胞的循环网。在从器官腔4、4a、4b中的类器官和/或器官发出重大损伤信号的情况下，包括一种造血干细胞小生境(该小生境可以在干细胞腔9的底部形成并且具有一个限定的流体流，由成骨细胞饲养细胞以及造血干细胞构成)的干细胞腔9中的休眠的干细胞可以例如在骨和软骨器官腔中再生此类损伤。
培养基进料池2容纳对于在这些器官生长区域中分化和/或维持细胞所必需的培养基和/或补充物。包含在本发明的自含式芯片上器官装置中的培养基进料池的尺寸是通过几个参数来确定的，这些参数包括：(i)所要求的自含式培养周期以及(ii)所要求的培养基更换率。典型地，该培养基进料池所包括的培养基超过了一个器官腔4、4a、4b体积每天的培养物乘以所连接的器官腔的个数以及培养天数以及补充物(如果要求的话)。在一个优选的实施方案中，自含式培养周期是至少10天、15天、20天、25天、30天、35天、40天、45天、50天、60天、70天、80天、或90天或更长。因此，包含在本发明的自含式芯片上器官装置中的培养基进料池2的尺寸可以基于以下公式进行计算：(no·vo·Xm·tc)，其中no是指器官腔的数量，vo是指器官腔的体积(基于这样的假设，即所有器官腔的体积是相似的，即±20％，另外，需要将器官腔的单独的体积进行合计)，Xm是指每天的培养基更换率并且tc是指自含式培养周期。优选的值，对于no是在18至96之间，对于vo是在0.5至2mm3之间，对于Xm是在0.5至2之间并且对于tc是在14至90之间。典型地该培养基废物池具有与该培养基进料池的体积对应的至少一个体积。在一个典型的实施方案中，包含在该自含式芯片上器官装置内的培养基进料池2具有一个在2ml至5ml之间的体积。给定这样一个流体流速，典型地没有必要向该培养基进料池2提供一个通风系统来避免负压积累，因为任何所要求的气态介质能够通过覆盖在这些器官腔上的气体可透过的膜扩散进入这些器官腔中并且返回进入培养基进料池2中。通风系统的缺乏是一个优选的实施方案因为它将该培养基进料池的污染的风险减到最小。取决于在器官生长区域3中有待建立和/或有待维持的这些细胞、组织、类器官或器官的类型，一种类型的培养基将足以支持所有这些细胞、组织、类器官或器官的分化和/或维持或者可能要求将不同的培养基提供给不同的器官生长区域3和/或将不同的培养基提供给一个器官生长区域3中不同的器官腔4、4a、4b的。还可以要求在不同的时间点(例如对应地在分化和维持期间)提供二种或更多种不同的培养基。因此，在一些实施方案中，芯片上器官装置1可以包括2、3、4、5、6、7、或更多个不同的培养基进料池2，培养基进料池2通过一个微流控进料通道6与一个器官生长区域进行流体连通。由于一些细胞、组织、类器官或器官可能要求一个第二培养基，一个培养基进料池2可以与一个给定的器官生长区域3内的仅仅一个器官腔4、4a、4b进行流体连通，器官生长区域3被设计为要求这样一个第二培养基的一个细胞类型提供一个微环境。
优选地，至少一个微流控进料通道6将培养基进料池2与一个或多个器官生长区域3进行流体连接。该微流控进料通道的直径优选地在100nm至1mm之间，优选地在0.5μm至200μm之间，更优选地在1μm至100μm之间。优选的是微流控进料通道6配备了一个另外的出口，该出口允许将补充物和/或测试化合物分别地给予该器官生长区域3。优选的是将这样一个出口放置在距离该微流控进料通道10的出口的一个足够距离的位置上，从而允许培养基和补充物和/或测试化合物的混合以确定这些补充物和/或对应的测试化合物在一个器官生长区域内在二个或更多个器官腔之间的均匀分布。
为了控制培养基和/或补充物流到每一个器官生长区域中，在从培养基进料池2到器官生长区域3的流动路径中提供一个流量控制装置是可能的。这样的流量控制是优选地通过外部压力源、外部机械泵、整合的机械微泵、或通过电动机制来实现的。在恒流系统中的过程监测能力可以用基于例如MEMS技术(它提供低至纳升范围的分辨率)的高度敏感的微流控流量传感器来达到。因此，此类装置也可以存在于或者通向该器官生长区域和/或来自该器官生长区域的流动路径中。
在一个优选的实施方案中，本发明的自含式芯片上器官装置1进一步包括至少一个干细胞腔9，优选地是该器官生长区域3内的一个新生儿的、出生前的/出生后的和/或成体的干细胞腔。该干细胞腔是器官生长区域3内的一个微结构化的区域，器官生长区域3提供了适合于在分化的不同阶段维持干细胞的一个环境。因此，干细胞可以独立地迁移进入干细胞腔9中或可以将干细胞与包含在器官生长区域3内的被引入一个或多个器官腔的细胞一起或独立地间接地引入干细胞腔9中。用于体内形成干细胞腔9引导元件是尺寸、形状、表面特性(例如饲养细胞)、营养特征以及流体曲线。优选地，将该干细胞腔流体地连接至一个或多个器官腔4、4a、4b从而允许干细胞迁移进入不同的器官腔4、4a、4b中以便辅助对应的类器官和/或器官的再生和维持。优选的是，将该干细胞腔通过一个小于80μm但大于10μm的开口流体连接至至少一个器官腔4、4a、4b。优选地，该干细胞腔9具有一个在10μm至200μm之间的直径，优选地小于100μm。为了允许包含在该干细胞腔中的干细胞相似地进入包含在器官生长区域3中的二个或更多个器官腔，优选的是将干细胞腔9置于与这些器官腔4、4a、4b等距的位置上。在一个优选的实施方案中，其中包括二个、三个、四个、五个、六个或更多个器官腔4、4a、4b的器官生长区域3具有一个圆形的形状，优选的是将干细胞腔9置于器官生长区域3的中心。更优选的是将干细胞腔9安排为与微流控进料通道6的出口10相对，这允许干细胞腔中的干细胞优选地接近新鲜的培养基。优选地，该干细胞腔与作为基质的基底层成一直线。此类基底层可以在上皮细胞以及成纤维细胞的分裂间期产生并且因此可以通过在建立该干细胞腔的一个第一步骤中重新合成而提供或者可以从已知包括基底层的脱细胞的组织进行衍生并且可以在用干细胞进行种植之前引入该干细胞腔。此类基底层对于在该干细胞腔(优选地一个出生前的、出生后的和/或成体的干细胞腔)中的干细胞的贴附和维持是支持性的。
一种新生儿干细胞腔是提供适合于吸引/维持新生儿干细胞的一个环境的一种干细胞腔。促进新生期发育的新生儿干细胞腔的一个优选的实施方案是一个中空体，优选地是一个中空圆柱体。该中空体(例如圆柱体)优选地具有一个在200μm至1,000μm之间，优选地400μm的高度以及一个80μm至300μm的直径(优选地一个100μm的直径)。优选的是仅有一个器官腔4、4a、4b与那个干细胞腔进行流体连接。优选地，微流控进料通道6的出口10以及至一个或多个器官生长区域的流体连接是如此放置的以便培养基流动穿过位于该干细胞腔中的干细胞之上的中空圆柱体。如果该腔是在一个圆形的器官生长区域内，则优选的是它占有少于10％优选地少于2.5％的该器官生长区域3的表面积。优选地，至器官腔4、4a、4b的流体连接是位于该干细胞腔9的一个侧面，与微流控进料通道6的出口相对。优选地，该圆柱体仅仅在该圆柱体的下部分与圆锥形的器官腔进行连接(对于微流控进料通道6的出口10而言)。这个开口优选地具有一个距离该干细胞腔的底部大约150至大约450μm，优选地300μm的高度，这等于正在经历不对称分裂的胚囊的近似直径。优选地，该新生儿干细胞腔不包括一种涂层、一种基质、和/或一种滋养层。通过对称干细胞分裂在几天内在该干细胞腔中将发生囊胚和胚囊形成。优先地，为了这个目的，可以用卵黄囊培养基填充该干细胞腔。如果这种培养基仅仅用于建立器官和/或类器官时，可以从培养基进料池2或一个第二培养基进料池提供这种培养基，或当将新生儿干细胞种入该腔内时，可以将这种培养基引入该干细胞腔中。如果该卵黄囊培养基是从一个培养基进料池2提供的，与不对称分裂同步的灌注将引导组织发育进入器官腔4、4a、4b中，优选地是单个的器官腔。优选地该器官腔具有一个大约3mm的长度。包括新生儿干细胞腔的器官生长区域3以及由此发育的组织、器官以及类器官优选地用于基础研究中，优选地用于跨越多细胞生物体的所有领域的发育生物学中以及用于物质的胚胎毒性测试。
一种出生前和出生后干细胞腔是提供一个适合于吸引/维持出生前和出生后干细胞的环境的一种干细胞腔，出生前和出生后干细胞在妊娠以及儿童期促进器官和组织的成熟和快速生长。出生前和出生后干细胞腔的一种优选的实施方案是一种中空体，优选地是具有一个区的圆柱体，该区具有减少的流体流。在那个区(该区还可以称为干细胞小生境)中的流体流相对于干细胞腔9的其他部分中的流体流是减少的。因此，大多数的培养基将流入并且流出干细胞腔9进入器官腔4、4a、4b中，而不进入这个特定的区中。该中空体(优选圆柱体)的高度在200μm至1,000μm之间，优选地是400μm。该直径优选地在10μm与300μm之间，优选地该直径在10μm至200μm之间，例如20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190，或200μm。优选的是几个(即二个、三个、四个、五个、或更多个)优选地完全相同的器官生长腔4、4a、4b与该出生前和出生后干细胞腔进行流体连接。优选地，至该一个或多个器官腔4、4a、4b的该流体连接位于该中空体的中间，优选地在该圆柱体的中间。这个/优选地这些开口具有一个距离该干细胞腔的底部(对于微流控进料通道6的出口10而言)大约100至大约300μm，优选地大约200μm的距离，由此在该干细胞腔的底部形成一个具有减少的培养基流的区，该区对于在干细胞腔9中维持出生前和出生后干细胞是优选的。优选地这些开口是裂缝样的。因此在一个优选的实施方案中该培养基将穿过微流控进料通道6的出口10流入干细胞腔9的顶部并且流出进入干细胞腔9的中区中的多个器官腔中。减少的流的区位于该中空部分(优选地圆柱体)的下部。为了在这个区中建立器官特异性出生前和出生后干细胞小生境，它们优选地由干细胞小生境特异性饲养细胞层组成，该细胞层粘附到该腔的下部的表面上或粘附到生物或合成起源的微孔微载材料上。将相应的干细胞转入该干细胞腔，优选地直接到该干细胞腔的底部并且在恒定条件下进行培养(例如使用出生前或新生血清培养基流)。在该小生境的下部在该小生境的底部，其中培养基流是最小的并且主要通过扩散提供营养素供应，对称性干细胞分裂保证了干细胞的自我更新。当细胞生长达到较大的组织簇时，在较高的小生境区中出现营养素梯度和培养基流紊流，这支持不对称分裂和器官祖细胞流出进入完全相同的具有定义的尺寸、形状、微环境以及结构的器官腔4、4a、4b中。包括出生前和出生后干细胞腔的器官生长区域3以及由此发育的组织、器官以及类器官优选地用于基础研究中，优选地用于对出生前和出生后生命活动期间干细胞小生境的器官成熟和功能性的研究中。此外，优选地在儿童期期间，关于它们的生物安全性或作用方式，优选地将它们用于物质的毒理学、药效学或药物代谢动力学的研究中。
一种成体干细胞腔是提供一个适合于吸引/维持成体干细胞的环境的一种干细胞腔。一种促进分离的器官的成体休眠促进干细胞小生境的形成的成体干细胞腔的一个优选的实施方案是一个中空体，优选地是具有一个区的圆柱体，该区具有减少的流体流。在那个区(该区也可以称为干细胞小生境)中的流体流相对于干细胞腔9的其他部分中的流体流是减少的。因此，大多数的培养基将流入并且流出干细胞腔9进入器官腔4、4a、4b，而不进入这个特定的区。该中空体(优选地圆柱体)的高度是在200μm至1,000μm之间，优选地是400μm。其直径优选地在10μm与300μm之间，优选地该直径在10μm至200μm之间。优选的是几个即二个、三个、四个、五个、或更多个优选地不同的器官腔4、4a、4b与该成体干细胞腔进行流体连接。优选地，至一个或多个器官腔4、4a、4b的该流体连接是位于该中空体的中间，优选地在该圆柱体的中间并且延伸至该干细胞腔的顶部，优选地以裂缝样的方式。优选地一个或多个开口具有一个距离该干细胞腔的底部(对于微流控进料通道6的出口10而言)大约100至大约400μm，优选地大约300μm的距离，由此在该干细胞腔的底部形成一个具有减少的培养基流的区，这个区对于在干细胞腔9中维持成体干细胞的是优选的。因此在一个优选的实施方案中该培养基将穿过微流控进料通道6的出口10流入干细胞腔9的顶部并且流出进入多个器官腔中，而不进入干细胞腔9的底部区。在一个优选的实施方案(但不限于此)中，一种皮肤的毛囊隆突干细胞小生境、一种小肠的隐窝基柱状干细胞小生境、一种肺的支气管肺泡干细胞小生境、一种用于血液重建的造血干细胞小生境、一种用于神经组织再生的室下区干细胞小生境或者一种用于维持激素腺体的干细胞小生境将在干细胞腔9中形成。取决于类器官和器官系统的具体的组合，对集中的器官营养和调节进行管理将导致对于这些器官和类器官的辅助结构的形成，包括可以从一个器官腔4、4a、4b延伸进入另一个器官腔4、4a、4b中的神经和血管，优选地通过横越穿过干细胞腔9。
优选地通过将饲养细胞、基质以及干细胞引入对该有待建立的干细胞小生境特异性的干细胞腔9中(优选进入腔9的下部)，在成体干细胞腔9中建立器官特异性成体休眠促进干细胞小生境。构成不同器官的成体生理干细胞小生境的组分的一篇综述由D.L.Jones和A.J.Wagers在No place like home：anatomy and function of the stem cell niche.Nature Reviews/Molecular Cell Biology，V.9，pp.11-21，January 2008中给出，通过引用以其全部内容进行结合，尤其是关于用于建立对应的干细胞腔的需要物方面(例如涂层、生长因子、细胞外基质组分)它所传授的内容。
在干细胞腔9内可能有助于维持干细胞的粘附分子可以选自整联蛋白、连环蛋白、钙粘蛋白、其他细胞粘附蛋白、或它们的组合。在干细胞腔9内适合用于维持干细胞的粘附分子优选地可以选自α6整联蛋白、β1整联蛋白、β-连环蛋白、E-钙粘蛋白、N-钙粘蛋白或二种或更多种所述蛋白的组合，但不限于此。干细胞腔9还可以包括作为干细胞的支持细胞起作用的细胞。适合的支持细胞可以选自以下的细胞类型的列表(但不限于这些细胞类型)：成骨细胞、血管细胞、隐窝成纤维细胞、帕内特细胞(Paneth cells)、真皮成纤维细胞、血管细胞、星形胶质细胞、塞尔托利细胞(Sertoli cells)、间质细胞、以及二种或更多种所述细胞的组合。普通技术人员应当知道适合的一种或多种支持细胞的选择取决于干细胞腔9中有待维持的干细胞。具体地，成骨细胞适合用作造血干细胞(HSC)的支持细胞；血管细胞适合用作HSC、室下区(SVZ)干细胞、颗粒下区(SGZ)干细胞、以及精原干细胞(SSC)的支持细胞；隐窝成纤维细胞连同帕内特细胞适合用作隐窝基柱状细胞(CBC)的支持细胞；真皮成纤维细胞适合用作毛囊隆突干细胞的支持细胞；星形胶质细胞适合用作SVZ干细胞以及SGZ干细胞的支持细胞；并且塞托利细胞连同间质细胞适合用作SSC的支持细胞。进一步考虑的是干细胞腔9的机械性质对干细胞功能的影响。具体地，干细胞腔9的相对弹性或硬度可以直接改变干细胞的分化决定(D.L.Jones and A.J.Wagers(2008)，supra)。例如，可以将一个相对有弹性的基底用于干细胞腔9中以便促进间充质干细胞(MSC)的神经分化。相比之下，在干细胞腔9中选择一个硬质的基底将有助于MSC的成骨细胞分化。最后，一个中等硬度的基底将促进分化成骨骼肌谱系。进一步考虑的是将一种或多种影响干细胞维持、分化和/或休眠的因子加入到干细胞腔9中。例如，骨桥蛋白(OPN)抑制干细胞在HSC小生境中展开(W.P.Daley et al.：Extracellular matrix dynamics in developmentand regenerative medicine.J.Cell Science(2008)v.121，pp.255-264)并且为了同样的效果可以将其加入干细胞腔9中。其他可能有用的示例性的因子是青灰因子(SLF)、Wnt、Notch、血管形成素-1(ANG1)、骨形态发生蛋白(BMP)、音猬因子(Shh)、以及胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)。
优选的是，将这些组分植入一种半固体培养基中，优选地是琼脂糖、甲基纤维素或藻酸盐。优选地，将基质、涂层、细胞悬液或细胞簇如组织切片载入这些器官腔，这些基质、涂层、细胞悬液或细胞簇如组织切片对于形成想要的类器官和/或器官是对应地所需要的。优选地，提供了一种恒流的培养基(例如包括成人血清)或一种合成的完全培养基。该流的量是这样，即使它不搅乱在干细胞腔9的底部可能形成的干细胞小生境。由于形状和几何形状，优选的是唯一地通过扩散将营养素提供给该成体干细胞小生境。一旦在一个或另一个器官腔中发生血管化或神经生长，神经和微毛细管可以通过该干细胞小生境的上部容易地穿透其他的器官腔，因此使同一器官生长区域的其他的类器官进行神经分布或血管化。一旦整个系统已经达到自然稳态，可以施加测试物质。该干细胞小生境的细胞主要是休眠的并且仅当从多个器官腔收到损伤信号时可以被激活从而再生器官段。包括一种或多种成体干细胞腔的器官生长区域3以及由此发育的组织、器官以及类器官优选地用于基础研究中，优选地用于成体干细胞小生境、器官生理学以及稳态的研究中。此外，它们优选地用于测试与消费者健康相关的物质。
更优选的是干细胞腔9是圆柱形的。如果将干细胞腔9置于器官生长区域3的中心时，这是一种特别优选的形状。
在一个第二方面中，本发明涉及一种芯片上器官装置1，优选地一种自含式芯片上器官装置，包括：
(a)至少一个器官生长区域3，包括至少一个器官腔4、4a、4b，并且
(b)其中该至少一个器官腔4、4a、4b包括至少一个传感器8、8a、8b和/或被连接到其上。优选地，根据该第二方面的自含式芯片上器官装置1进一步包括至少一个培养基进料池2，其中培养基进料池2通过一个微流控进料通道6连接到至少一个器官生长区域3以及至少一个包含在其中的器官腔4、4a、4b。关于该第二方面使用的所有的术语，例如“自含式”、“器官区域3”、“器官腔4、4a、4b”以及“培养基进料池”具有如以上概述的含义和优选的含义并且术语“传感器”具有如以下概述的含义。更优选的是器官区域3进一步包括至少一个，优选地一个干细胞腔9，优选一个新生儿的、出生前的/出生后的或成体的干细胞腔。
在一个第三方面中，本发明涉及一种芯片上器官装置1，优选地一种自含式芯片上器官装置，包括：
(a)至少一个器官生长区域3，包括至少一个器官腔4、4a、4b，并且
(b)其中该器官生长区域3包括一个干细胞腔9。
在这个第三方面的背景下，使用的术语例如“器官生长区域”、“器官腔”以及“干细胞腔”具有对于本发明的第一方面所指出的含义和优选的含义。在器官生长区域3内供应具有以上概述特性的一个干细胞腔9提供了一种对于维持在器官腔4、4a、4b中的组织、类器官以及器官改进的培养系统，因为它模拟自然情况，其中通过干细胞补充器官和组织(这些干细胞保持在休眠状态，但是在该器官和/或组织之内或其邻近处是增殖感受态的)。
根据本发明的第三方面的芯片上器官装置1优选包括至少一个培养基进料池2，其中该培养基进料池2通过一个微流控进料通道6连接至该至少一个器官生长区域3。而且，在此背景下，术语“培养基进料池2”以及“微流控进料通道6”具有以上概述的对于本发明的第一方面相同的含义和优选的含义。
可能的是提供一种分离的培养基废物池，该培养基废物池通过一个接头连接至根据本发明的任何方面的芯片上器官装置1，即，是一个分离的实体。在这种情况下，将任何废弃培养基从该装置中取出并且可以将该培养基处置掉(在装置运行的同时)。然而，优选的是根据本发明的任何方面的该芯片上器官装置进一步包括至少一个培养基废物池5，其中该至少一个器官腔4、4a、4b通过一个微流控废物通道7连接至该至少一个培养基废物池5。在这个优选的实施方案中，该整个的流体供应和处置要求被包含在本发明的芯片上器官装置内，这进一步增加了灵活性并且减少了污染的风险。虽然每一个器官生长区域3(包括包含在其中的所有的器官腔4、4a、4b)可以通过一个微流控废物通道7、7a、7b进行连接，优选的是每一个器官腔分别地连接至一个专门为器官腔4、4a、4b提供的培养基废物池5。
可以在培养基流(通过对应地从器官生长区域3以及器官腔4、4a、4b中排出)中或在器官腔4、4a、4b内对应地监测该器官生长区域和器官腔中建立和或/维持的细胞、组织、类器官和/或器官的特性。此类特性可以包括分泌的或释放的物质、修饰的基底、阻抗的变化、电脉冲、机械力等。为了检测这些特性，优选的是在本发明的芯片上器官装置1的两个方面的任何一个中将至少一个传感器8、8a、8b安排在至少一个器官腔4、4a、4b和至少一个培养基废物池5之间和/或在该至少一个器官腔内。此类传感器8、8a、8b在本领域中是已知的并且优选地选自下组，该组的组成为：pH传感器、pO2传感器、分析物捕获传感器、表面声波(SAW)传感器、传感器、等离子体共振传感器、温度传感器、CO2传感器、NO传感器、趋化性传感器、细胞因子传感器、离子传感器、电位分析传感器、电流分析传感器、流通式传感器、填充传感器、阻抗传感器、电导率传感器、张力传感器、电磁场传感器、以及代谢传感器。可以评定的细胞、组织、类器官和/或器官的特性将取决于对应的细胞、组织、类器官和/或器官。因此，可以设想对于包含在一个器官生长区域3内的分离的器官腔中的不同的细胞、组织、类器官和/或器官提供不同的传感器。对于电活性细胞，类器官和器官多微电极阵列代表一种强大的技术。A.Robitzki et al：Cells on achip-the use of electric properties for highly sensitive monitoring ofblood-derived factors involved in angiotensin II type 1 receptorsignaling.Cell Physiol.Biochem.16(1-3)，51-582005。对于电生理惰性细胞以及类器官，可以使用阻抗光谱法，如J.Aguilo等人：Impedancedispersion width as a parameter to monitoring living tissues.Physiol.Meas.26(2)，165-173，2005中所述。可替代地或另外地，可以在流动路径内提供二个或更多个例如二个、三个、四个、或五个不同的传感器，从而提供一个具有增加的灵活性的系统或同时监测二种或更多种特性。例如，如果测试了一个肝脏类器官代谢一个给定的物质的能力，可能需要确定流过液中的代谢产物的量以及可能发生在该类器官中的任何凋亡或坏死。活细胞、类器官或器官成像与双光子显微术(穿透组织至大于1mm厚度的深度)结合可以用于该芯片上器官装置1内的任何干细胞或器官腔。在另一个优选的实施方案中，该自含式芯片上器官装置进一步包括一个温度传感器，安排该温度传感器从而确定该至少一个培养基进料池2和/或该至少一个器官腔4、4a、4b中的温度。
可替代地或另外地，感知物质例如pH感知物质到达培养基并且与该培养基一起流动。优选地，此类感知物质可以已经包含在培养基进料池2中，可以包含在一个分离池中，并且可以连续地、在预定的间隔或当需要进行某些测量时加入，或者可以通过膜或柔韧的薄片直接加入到器官生长区域3中优选地直接加入到该器官腔4、4a、4b中。典型地，此类感知物质响应于环境中的变化(例如pH、pO2、盐浓度、温度、分析物的存在或不存在等等)改变了化学和/或物理特性。物理特性的这样一个改变可能是例如吸收或发射性质的一个改变(例如荧光)，或该感知物质的氧化还原电势的改变。在一些优选的实施方案中，可以将此类感知物质固定在一个器官腔4、4a、4b内或者可以固定在一个微米珠粒或纳米珠粒之上或之内。为了本发明的目的，术语“微米珠粒”是指一种直径在20μm至0.5μm之间的优选的圆形颗粒，并且术语“纳米珠粒”是指一种直径小于0.5μm的优选的圆形颗粒。基于此类珠粒的尺寸，它们可以与培养基一起流动或者可以保留在一个器官腔中。为了影响器官腔4、4a、4b内微米珠粒或纳米珠粒的移动，优选地这些珠粒将是与培养基流一起运送的大小，可以设想将一种磁性的或可磁化的芯提供给这些珠粒，从而可以通过该芯片上器官装置中产生的磁场或电场进行移动。还可以通过该生长区段的顶部的开口加入此类珠粒，此后可以将该生长区段重新密封或者可以通过将柔韧的薄片覆盖在该开口上提供这样的重新密封。
为了为有待建立和维持的类器官或器官提供一个适当的环境，该器官腔4包括选自以下四种类型的一种或多种结构，即微结构、化学修饰结构、驱动装置、以及感知装置或它们的组合。典型地，该器官腔包括组织特异性微结构和化学修饰结构。
“微结构”包括例如三维的，优选地生物可降解的聚合物支架，以这样的目的提供该支架，即诱导来自例如该干细胞腔的正确类型的细胞迁移进入器官腔中或在器官腔4、4a、4b内提供的另外的细胞贴附表面区或微环境。这些微结构可以是生物可降解的，意味着随着时间的推移它们将化学地和机械地两者地进行分解。当这种分解发生时，这些细胞分泌它们自己的细胞外基质，这些基质在细胞生存和功能中起着关键作用。在正常组织中，在组织的构成性细胞与周围的细胞外基质之间存在着一种活跃的并且动态的反复相互交换。在这一领域中的最新发现汇总于W.P.Daley et al：Extracellular matrix dynamics indevelopment and regenerative medicine，Journal of Cell Science，121，255-264中。细胞外基质提供了调节细胞的形态学特性和表型性状的化学信号并且可以诱导分裂、分化或甚至细胞死亡。此外，这些细胞还不断地重排细胞外基质。细胞降解并且重建细胞外基质，并且通过它们自身或可能迁移进入该区的其他细胞将化学物质分泌进入随后使用的基质中。也已经观察到细胞外基质是胚胎发育中最重要的组分之一。前面的细胞分泌有助于后面的细胞分化成适当的最终表型的化学信号。例如，此类化学信号导致神经嵴细胞分化成轴突、平滑肌细胞或神经元。这些微结构优选地包括微载体(优选地胶原微载体)、钙化区(优选地钙化胶原)、合成的多肽凝胶(优选地聚氨基酸凝胶，例如可以延伸穿过器官腔并且可以连接至另外的一个或多个培养基进料池的谷氨酰胺凝胶毛细管)、以及纺织的和/或无纺的聚合物中空纤维(优选地聚醚砜或聚乳酸纤维)。一旦该芯片上器官装置已经被至少部分地或已经被完全地组装时，优选地将此类微结构引入该器官腔。因此，优选地这些微结构是与形成该器官腔的材料分开的，如以上概述，这可以提供另外的子结构，像脊、通道、或漏斗结构等。
如在此使用的术语“化学修饰结构”涉及多种物质，这些物质粘附(例如吸收)、共价地或非共价地贴附至薄层(典型地单分子层中)中的器官腔4、4a、4b的表面的全部或部分。优选的实例包括肽、蛋白质，像例如骨形态发生蛋白(BMP)、神经元生长因子、促红细胞生成素、集落刺激因子、白细胞介素、干扰素、整联蛋白、选择蛋白或上述蛋白质的受体以及交联蛋白，优选地是包括RGD基序的肽或蛋白例如白蛋白、转铁蛋白、胰岛素或纤维蛋白。为了交联蛋白，可以使用多种本领域已知的交联剂(包括戊二醛)。为了局部贴附至该腔的一部分，可以使用光化学敏化该表面。
优选地在器官腔4、4a、4b内提供了驱动装置以便更完全地模拟自然环境，该运行装置除了化学信号之外，还将提供对于建立和维持特异性的组织、类器官和/或器官所需的物理信号。因此，这些驱动装置包括通过根据需要在细胞群上施加压力来改变细胞的物理状态(例如用于骨和软骨形成)的装置、在器官腔的多个部分中来回泵送流体以模拟毛细血管血流或如在肠中发现的组织界面的装置、提供热或电刺激的装置。优选地这些驱动装置包括：至少一个位于给定的器官腔的分离的子腔中的脉冲加压装置(用于提供一个二次流穿过该器官腔)、一个或多个电极、电磁场力、或微泵(包括压力元件、来回摆动的弹性膜、用起搏细胞/心肌细胞种植的弹性中空球体(其颤搐称为“微心”)、表面声波(SAW)发动机或在这些器官腔内在这些膜上起作用的磁性活塞。
可替代地，可以通过使用具有磁性的或可磁化的芯的珠粒以及贴附至表面(优先地结合至某些细胞类型或细胞群)的配体以及通过施加磁场和电场将单细胞或器官部分在一个器官腔内移动(或移入或移出一个器官腔)。适当的珠粒对于本领域的普通技术人员是熟知的并且以微米珠粒或纳米珠粒供应。当施加该电场或磁场时，有待移动的细胞的数量将决定珠粒类型的选择，并且因此可以使用微米珠粒和纳米珠粒二者。该自含式芯片上器官装置可以已经用一定量的此类珠粒(预装入的)进行组装，或可以优选地根据需要通过这些器官腔的开口用这些珠粒进行装入。
为了评价该发育中的或发育的类器官或器官的分化和健康状态或许多其他的特性包括代谢活性、凋亡细胞的数量、增殖细胞的数量等，在器官腔4、4a、4b中提供了器官感知装置，如果与位于例如通向微流控废物区室8、8a、8b的流动路径中的传感器相比，由此允许这些传感器更直接接近这些细胞。优选的传感器包括温度传感器、传感器物质(优选地将这些传感器物质贴附至该器官腔的表面或偶联在由金制造的多个微表面上的细胞因子特异性抗体，将这些传感器物质置于出口废物通道中并且借助等离子共振和光纤(光纤允许将不同波长的光提供到该器官腔并且检测任何的光(在该器官腔中可以发射、反射或吸收这些光)是可观察的)。传感器物质是响应于一个给定的信号改变一个可测量的物理或化学特性的那些物质。如以上概述，此类表面还可以是一种位于器官腔4、4a、4b内的微米珠粒或纳米珠粒的表面。
在器官腔内的子结构、微结构、化学修饰结构以及驱动装置的特异性组合提供了一个用于特定组织的建立和分化的环境。
一个器官生长区域3内的器官腔4、4a、4b提供了用于一种特定器官(例如肺泡、皮肤的表皮和真皮、肠粘膜、肝小叶、肾的肾单位)或特定器官系统(例如血液系统的微脉管系统、神经系统的灰质)的最小的功能上自身依赖的结构单元的自组装、维持和/或重新组装的空间。用于体内定向的器官组装的自然原理的构件是尺寸、形状、营养特征、微结构(例如细胞外基质和膜以及表面特性)以及局部微环境(例如形成素和趋化因子梯度)。对于三种类型的器官4-脑组织、4a-骨-软骨以及4b-血管化皮肤)，示例性地提供了器官腔的一个优选的实施方案，对于每一个特定器官设定适当的尺寸、形状以及营养并且提供引入微结构和微环境的另外必需的元件的入口连同将细胞悬液或组织载入该芯片上器官装置的入口。
在一个优选的实施方案中，器官腔4例如被设计为用于培养中枢神经组织，它提供四个分离的空间，用于维持例如皮质或小脑的灰质的不同层(从外周至中心-颗粒细胞层、分子细胞层和浦肯野细胞层、以及由神经形成的白质层)。将脑的相应部分的组织切片载入这个器官腔的三个灰质区域中或用对应的神经元进行填充并且与必要量的神经胶质细胞进行混合。区域之间的壁允许树突和轴突通过。将基于轴突的神经置于该区段中直接连接至干细胞小生境并且因此可以穿过该小生境的上部到达其他的器官腔。位于相关区段的底部的阻抗测量装置用作传感器来验证功能性灰质层连接的重建。
在一个优选的实施方案中，腔4a提供了用于一种杂交的骨/软骨类器官的尺寸、形状以及营养特征。中央较小的区段是骨区并且较大的外周部分代表软骨区。将胶原基质、成软骨细胞以及软骨细胞载入该软骨区，并且将通过一个整合在该小型的小生境中(在这个区段的周围)的加压装置进行不断的或周期性的加压。在顶部用一个箔(对于氧是不可渗透的)将这个区段流体密封地进行封闭。用骨形态发生蛋白(BMP)对相对于中央骨区段的界面进行包被。优先地，将骨髓透明隔的或钙化的胶原基质(载有破骨细胞和成骨细胞)载入该骨区段中。
在一个优选的实施方案中，器官腔4b含有一种微导管，该微导管与二个外周池流体密封地连接并且由生物可降解的或合成的聚合物制成(允许内皮细胞汇合性地贴附至内壁并且能够长出来进入外围组织中)。在这些池之间提供了一个泵送装置从而使血液或血液代用品穿过该导管进行循环。用细胞外皮肤基质以及角质化细胞悬液或用皮肤的组织切片充满该器官腔。此外，可以将毛囊种入该区段，因而，在器官腔中提供了发育血管化皮肤等效物的结构和微环境。
最后，操作这样一个生长区段，通过神经(从4)或微细管(从4b)向外生长进入其他的腔，在器官腔之间可能发生相互作用。在发出重大损伤信号的情形下，在例如造血干细胞小生境中的休眠的干细胞(该造血干细胞小生境是由成骨细胞饲养细胞以及造血干细胞建成的)可以在例如骨和软骨器官腔中对这些损伤进行再生。
虽然通过如以上描述的传感器间接地评价包含在器官腔4、4a、4b中的这些细胞的若干特性是可能的，仍然优选的是本发明的自含式芯片上器官装置1是显微镜可观察的(microscopable)。最后，该芯片上器官装置的每一部分都可以用一种光学上透明的材料来制造。优选地，一个或多个器官区域3、一个或多个器官腔4、4a、4b和/或至少一个传感器8、8a、8b是显微镜可观察的(microscopable)。应用双光子显微术透过整个器官腔层15的活细胞成像在器官组装和维持连同物质对器官行为的影响的方面提供了在线信息。在一个优选实施方案中，如以上展示，芯片上器官装置包括通向用于每一个器官区域3的环境的一个开口。优选地这个开口是与器官区域3本身完全相同大小的。在操作中，它可以用一种半透明的流体密封的可透气的材料(像例如一种其上喷药的邦迪创伤贴(spray-on band aid)、一种由例如PDMS制造的柔韧的薄片或一种纤维蛋白薄片)进行覆盖。在这个安排中，通过光学显微术例如通过从上方供给光(如在激光扫描显微术中)直接观察器官腔中的细胞是可能的。也提供高分辨率图像的一个较低复杂的方法使用了透射显微术。然而，使用透射显微术要求沿着穿过本发明的芯片上器官装置1的整个光路提供光学透明的材料。正如以下将更详细地说明，用于组装本发明的芯片上器官装置的微结构层优选地是由光学半透明的材料(像玻璃或SiO2)制造的，并且因此将适合于沿着该光路提供光学透明的材料。例如，如果将某些结构(像加热元件)放置在该光路内，它们也可以用光学半透明的材料制造，例如用铟锡氧化物(ITN)制造加热装置。特别优选的是干细胞腔9是可显微镜观察的(microscopable)以便确定在这个腔中细胞的占有率和状态。
流体流过本发明的自含式芯片上器官装置1的微流控系统可以通过例如重力或通过毛细管力来实现。然而，为了确定培养基流过该系统，优选的是培养基废物池5包括一种亲水材料，该亲水材料一旦被浸湿将吸收该培养基，并且因此提供一个吸力，该吸力适合于提供一个流体流。可替代地，一个微泵可以被安排在培养基进料池2与培养基废物池5之间的流动路径中。后面的实施方案是有利的，因为该流体流的速度可以更容易地适应于在器官生长区域中观察到的生长条件、细胞数量等。因此，如果凋亡率升高和/或增殖率降低，可以提高培养基的流量从而向细胞提供一种更好的营养供给。
如以上已经展示，优选的是将用于建立和维持组织、类器官或器官所需要的所有装置整合在本发明的自含式芯片上器官装置1内。提供的优点是该自含式芯片上器官装置不依赖于第二支持单元以及培养基供给装置和优选的一次性装置。因此，在一个优选的实施方案中，自含式芯片上器官装置1还包括加热装置，安排该加热装置从而或者加热该至少一个培养基进料池2、该至少一个器官腔4、4a、4b或二者都加热。优选地，将该芯片上器官装置的这些区域加热至等于生物体中发现的温度(例如37℃)的一个温度，在这些细胞来自该生物体。加热装置11可以包括任何本领域已知的材料，这些材料可以形成相对薄(例如1μm至100μm)的加热元件。优选的加热装置是用铟锡氧化物、铂、金或它们的混合物制造。除了这些之外，由于以下事实，即它是光学上半透明的，铟锡氧化物是优选的。
为了允许有效地制造本发明的自含式芯片上器官装置1，优选地组装二个、三个、四个、五个、六个、七个或更多个分开制造的层，这取决于这些微结构的所需要的复杂性。这些层可以通过多种方法来制造，包括从固体块状材料开始进行切削加工(通过例如磨碎或激光消融)、铸造、或光学平版印刷技术(如在半导体领域中通常使用的)。一旦具有相应的微结构的一个第二层与第一个层以流体密封的方式连接时，在一个层的表面上的结构可以变成一个内部封闭结构。优选的是所有层具有相同的长度和宽度从而确保一旦所有的层互相连接则形成一个看来如一个整体块状的芯片装置。因此，在一个优选的实施方案中，本发明的装置包括或包含一个培养基层12以及一个器官生长区域层13。在一个优选的实施方案中，这二层是预组装的并且作为一个整体芯片递送至使用点，该整体芯片可以或者不可以已经包括培养基进料池2中的培养基和/或补充物。然而，在某些实施方案中可以设想培养基层12是从器官生长层(13)分开地提供的并且一旦已经将这些细胞和/或组织片段载入器官腔4、4a、4b中，它仅可以贴附到该器官生长层。优选地，该芯片上器官装置或它的部分是在一个无菌环境中分开包装的。在一个优选的实施方案中，该组装的芯片上器官装置是通过高压灭菌和/或辐射可灭菌的。
培养基层12典型地具有一个在0.5mm至20mm之间的厚度，优选地0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0、15.0、16.0、17.0、18.0、19.0、20.0mm并且包括相对简单的结构(包括培养基进料池2和/或培养基废物池5)，培养基进料池2和/或培养基废物池5被做成在运行过程中提供和/或接收一个适当量的培养基的尺寸。因此，优选的是该培养基层是通过用例如一种合成聚合物(优选地PS、PC、PA、PI、PEEK、PPSE、EP、UP、PF、PDMS、MF、CA、PTFE以及它们的混合物，特别是PS、PC、以及聚硅氧烷优选地PDMS)进行铸造来制造的。如以上概述的，优选的是本发明的自含式芯片上器官装置1包括一个或多个开口，每一个允许进入一个器官生长区域3，优选一个器官腔4和/或干细胞腔9。在优选的实施方案中使用这些开口来将细胞和/或组织片段载入对应的器官腔4、4a、4b中。因此，培养基层12优选地包括在尺寸和数量上对应于器官生长区域层13中的器官生长区域3的开孔。
在一个优选的实施方案中，培养基进料池2和/或培养基废物池5被安排在培养基层12中。将这些结构优选地以这样一种方式置于该培养基层中(即它们不干扰在一个优选的实施方案中在该培养基层中提供的一个或多个开口)，从而允许气态介质对应地进入到置于器官生长区域层13中的培养基层之下的器官生长区域3和器官腔4、4a、4b中。器官生长区域层13优选地包括如以上更详细地概述的所有结构，以便提供包括用于组织、类器官和器官的分化和维持的结构的、化学的和物理的信号的必需环境。因此，它将包括用于例如骨或软骨发育、用于血管化皮肤的发育或神经生长的微结构。由于经常使用光刻技术需要的这些结构的小尺寸并且，相应地优选的是这些材料与那些在半导体技术领域中通常使用的那些材料(包括SiO2、GaAs、玻璃或它们的组合)是相似的。
在一个优选的实施方案中，器官生长区域层13包含或包括一个上封闭层14、一个器官腔层15以及一个下封闭层16。这三层一起界定了器官生长区域3，其中该上层对应地界定了器官生长区域3的上端和器官腔4、4a、4b，该器官腔层提供了器官腔的侧面，并且该下封闭层对应地界定了器官生长区域3的下端和器官腔4、4a、4b。
上封闭层14优选地具有一个在20μm至2mm之间的厚度，优选地30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、250、300、350、400、450、500、550、600、700、800、900、1000、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900或2000μm。它将该器官生长层中的多个微流控通道从该培养基层流体地分开。然而，它包括允许流体与该培养基层中的相应的开口连通的多个开口，从而例如允许培养基流出并且返回进入培养基层12中。可以提供更多的开口以便允许进入器官生长区域3，当将细胞载入器官腔4、4a、4b和/或干细胞腔9中时优选地进入器官腔4、4a、4b，随后可以通过如以上概述的适当的方法将器官腔4、4a、4b和/或干细胞腔9封闭起来。上封闭层14可以进一步包括器官生长区域3的区中的器官特异性表面结构，该器官生长区域3部分地或全部地覆盖器官生长区域3或器官腔4、4a、4b。优选地，上封闭层14的材料是SiO2或玻璃，最优选地是玻璃。
器官腔层15包括一个或多个器官腔4、4a、4b和/或干细胞腔9以及任选地多个微流控通道。当说明该器官腔层包括多个器官腔时，意味着器官腔4、4a、4b的大多数的体积被提供于器官腔层15中，器官腔层15提供了该器官腔的侧面。器官腔层15优选地具有一个在100μm至10mm之间的厚度，优选地100、110、120、130、140、150、160、170、180、190200、250、300、350、400、550、600、650、700、750、800、850、900、1000μm，1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2.0mm。特别优选的厚度是在250至750μm之间以便允许通过透射显微术连续监测该器官腔和/或干细胞腔中的细胞。器官腔层15的厚度是这样选择的以便提供一个需要体积的器官腔4、4a、4b。优选地，器官生长层15的材料是SiO2或玻璃，最优选地是SiO2。
下封闭层16优选地具有一个在20μm至2mm之间的厚度，优选地30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、250、300、350、400、550、或600μm。它将器官腔层15中的该多个微流控通道和或开口与外界环境流体地分离开，即优选地它不具有一个开口。优选地，该下封闭层的材料是SiO2或玻璃，最优选地是玻璃。优选地，该下封闭层16包括以下各项的一种或多种：加热装置11、传感器装置(优选地温度感知装置)、或多个电接头，这些电接头用于将该装置连接至保持装置18的相应的多个电接头19上。
如以上概述，本发明的芯片上器官装置可以被完全组装地递送至使用点并且还可以包括对应的组织、类器官和/或器官的生长和分化所需的所有培养基和/或补充物。因此，在一个优选的实施方案中，培养基进料池2包括一种细胞生长培养基。
在另一方面，本发明涉及一种制造一种自含式芯片上器官装置1的方法，包括将一个培养基层12流体密封地结合至一个生长区域层13或它的部分的步骤。这样的结合可以被本领域已知的粘合剂影响或取决于焊接对应的材料。
该芯片上器官装置还可以包括一种能源例如一种提供一定功能(例如微泵送、传感器功能)的电池，其独立于可以通过例如如以下概述的一个保持装置18可以连接至该芯片上器官装置的任何动力源。此外，该芯片上器官装置可以包括发信号装置(例如LED、辐射发射器)从而将该芯片上器官装置的状态与外界相通。例如，如果该温度偏离了一个预设的温度范围，可以设想该芯片上器官装置上的一个LED会闪烁。
由于以下事实，即它优选地包括用于独立地维持细胞、组织、类器官、和/或器官的所有特征，可以将该自含式芯片上器官装置四处移动。然而，在一个优选的实施方案中，将该芯片上器官装置放置在一个专门适配的电源单元17中，用于在运行过程中维持自含式芯片上器官装置(1)。这个电源单元17包括：
(a)用于可释放地接合自含式芯片上器官装置1的保持装置18，以及
(b)用于将自含式芯片上器官装置1上的相应多个接头与电源单元17连接的多个电接头19。
电源单元17典型地包括指示器装置像例如灯光指示器或声音指示器，从而向该装置的操作员发出警报，提醒该装置的条件，像温度、氧合作用、pH等发生变化。虽然可以设想将调节和评价包含在芯片上器官装置1中的驱动装置和传感器所需要的电路系统进行整合，将这些功能整合到该电源单元上也是可能的。在那些实施方案中这是有利的，其中该芯片上器官装置是一个单次使用装置，在一个孵化期后将它扔掉。因此，该电源单元17包括调节装置是优选的。典型地，这些将确定例如在该芯片上器官装置内的温度、在该芯片上器官装置内的流体的流量、或电刺激，该电刺激可能是某些组织需要的并且将根据例如预置参数来调节这些参数。
在一个优选的实施方案中，电源单元17包括一个保持装置18，该保持装置允许将至少二个芯片上器官装置1固定在彼此上下。
在另一方面，本发明涉及一种在自含式芯片上器官装置1中建立一种器官和或类器官的方法。这个方法包括以下步骤：
(a)将一种细胞悬液或一种组织切片载入一个或多个器官腔4、4a、4b中优选装入根据以上描述的第一、第二以及第三个实施方案的一个自含式芯片上器官装置1中，并且
(b)流体密封地将该一个或多个器官腔4、4a、4b密封。
使用一种适当的装置(像，例如，微量调节注射器)通过一个开口(例如，在上封闭层14中)直接地将这些细胞或一个或多个组织切片载入该器官腔中，或者使细胞与培养基一起流过该器官腔(然后它们将粘附至在那里提供的结构和表面上)是可能的。这样的载入可以是手动地或者全自动地。在后者的情况下，优选的是一种连续加样装置，该连续加样装置通过器官生长区域3的开口载入任何需要的培养基、细胞或物质，该器官生长区域3按照可能发生的情况可以是密封的、重新密封的或自动密封的。引入器官腔4、4a、4b中的细胞的类型将取决于有待建立的类器官或器官。优选地，该细胞悬液包括全能性的或多能性的干细胞、谱系定型细胞、分化细胞、细胞外基质组分或它们的混合物。将组织切片载入器官腔4、4a、4b中是特别优选的，因为它们只要求在该器官腔内再组装，并不要求正确的分化，如果从干细胞或其他的更多种分化的祖细胞来建立一种类器官或器官时，这种实例可能是要求正确地分化的。
在已经将细胞载入器官腔后，为了将器官腔4、4a、4b密封隔离开环境，可以使用密封剂像纤维蛋白胶、喷有生物相容性聚合物箔的绷带(biocompatible polymer foil spray-on bandage)、或凝结产品。优选地，该密封剂将提供一个跨过器官腔4、4a、4b的开口的流体密封的但是可透气的层或膜。
在一个随后的步骤中，将自含式芯片上器官装置1进行孵化直到形成一种器官或类器官。典型地，需要一个至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13或14天的孵化直到完成这样的器官或类器官的形成。
该芯片上器官装置的标志是特别地它不依赖于外部培养基的供给和/或废物的处理，因为已经在该自含式芯片上器官装置内提供了适当的流体连接和池。该孵化优选地是在无外部控制温度和/或未提供一个限定的气氛和/或未提供外部无菌性下进行的。
在另一方面，本发明涉及一种测试一种或多种测试化合物对一个自含式芯片上器官装置1中建立的一种或多种器官和/或类器官的影响的方法。这个方法包括以下步骤：
(a)提供一个包括一种或多种器官和/或类器官的自含式芯片上器官装置1或者
执行如以上概述的在一个自含式芯片上器官装置1中建立一种器官和/或类器官的方法，
(b)将一种或多种测试化合物加入至该器官和/或类器官
(c)以显微方式评价该器官和/或类器官和/或
确定由一个或多个传感器可确定的一个或多个参数。
在这个方法中使用的传感器可以是监测流出该芯片上器官装置的培养基的传感器8、8a、8b，或可以是位于该器官腔内的传感器。
在另一方面，本发明涉及包括一种或多种器官和/或类器官的自含式芯片上器官装置1用于测试一种或多种测试化合物对该器官和/或类器官的影响或用于检查器官或类器官的功能的用途。优选地，确定了一种或多种测试化合物的疗效、副作用、生物安全性或作用方式。
参照号码列表
(1)自含式芯片上器官装置
(2)培养基进料池，
(3)器官生长区域，
(4，4a，4b)器官腔，
(5)培养基废物池，
(6)微流控进料通道，
(7，7a，7b)微流控废物通道，
(8，8a，8b)传感器，
(9)干细胞腔，
(9a)新生儿干细胞小生境腔
(9b)出生前/出生后的干细胞小生境腔
(9c)成体休眠促进干细胞小生境腔
(10)微流控进料通道6的出口，
(11)加热装置，
(12)培养基层，
(13)器官生长区域层，
(14)上封闭层，
(15)器官腔层，
(16)下封闭层，
(17)电源单元，
(18)保持装置，
(19)电接头，
(20)过热指示装置，
(21)二次流体流，
(22)阻抗测量装置，
(23)温度传感器。

Claims (42)

1.一种自含式芯片上器官装置(1)，包括： 
(a)至少一个培养基进料池(2)， 
(b)至少一个器官生长区域(3)，该器官生长区域包括干细胞腔(9)和至少一个器官腔(4,4a,4b)，其中所述干细胞腔(9)流体地连接至所述至少一个器官腔(4,4a,4b)， 
(c)至少一个培养基废物池(5)，并且 
其中培养基进料池(2)通过一个微流控进料通道(6)连接到该至少一个器官生长区域(3)上以及该至少一个器官腔(4,4a,4b)上，并且其中该至少一个器官腔(4,4a,4b)通过一个微流控废物通道(7)被连接到该至少一个培养基废物池(5)上。 
2.一种自含式芯片上器官装置(1)，包括： 
(a)至少一个器官生长区域(3)，该器官生长区域包括干细胞腔(9)和至少一个器官腔(4,4a,4b)，其中所述干细胞腔(9)流体地连接至所述至少一个器官腔(4,4a,4b)， 
(b)其中该至少一个器官腔(4,4a,4b)包括至少一个传感器(8,8a,8b)和/或被连接到其上，并且 
(c)至少一个培养基废物池(5)， 
其中该至少一个器官腔(4,4a,4b)通过一个微流控废物通道(7)被连接到该至少一个培养基废物池(5)上。 
3.根据权利要求2所述的自含式芯片上器官装置(1)，进一步包括至少一个培养基进料池(2)，其中该培养基进料池(2)通过一个微流控进料通道(6)连接到该至少一个器官生长区域(3)上以及该至少一个器官腔(4,4a,4b)上。 
4.一种自含式芯片上器官装置(1)，包括： 
(a)至少一个器官生长区域(3)，该器官生长区域包括至少一个器官腔(4,4a,4b)， 
(b)其中该器官生长区域(3)包括一个干细胞腔(9)，其中所述干细胞腔(9)流体地连接至所述至少一个器官腔(4,4a,4b)，和 
(c)至少一个培养基废物池(5)， 
其中该至少一个器官腔(4,4a,4b)通过一个微流控废物通道(7)被连接到该至少一个培养基废物池(5)上。 
5.根据权利要求4所述的自含式芯片上器官装置(1)，进一步包括至少一个培养基进料池(2)，其中该培养基进料池(2)通过一个微流控进料通道(6)被连接到该至少一个器官生长区域(3)上。 
6.根据权利要求1至5任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中至少一个传感器(8,8a,8b)被安排在该至少一个器官腔(4,4a,4b)与至少一个培养基废物池(5)之间和/或在该至少一个器官腔之内。 
7.如权利要求4至5任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该干细胞腔(9)具有小于100μm的直径。 
8.如权利要求4至5任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该干细胞腔是圆柱形的。 
9.如权利要求4至5任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该干细胞腔是通过一个小于80μm的开口流体地连接到该至少一个器官腔(4,4a,4b)上。 
10.如权利要求1至5任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该器官腔(4)包括选自下组的多种结构，该组的组成为： 
(a)生物可降解的微载体； 
(b)加压装置； 
(c)一种胶原网； 
(d)钙化区； 
(e)连接到另一个培养基进料池的毛细管； 
(f)至少二个池，各自配备了一种脉冲加压装置用于提供穿过该器官腔的一个二次流； 
(g)一个或多个电极； 
(h)纤维蛋白凝胶； 
(i)合成的多肽凝胶； 
(j)交联蛋白； 
(k)纺织的和/或无纺的聚合物纤维； 
(l)电磁场力； 
(m)微泵； 
(n)传感器物质； 
(o)传感器；以及 
(p)光纤。 
11.如权利要求1至5任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该生长区域包括二个或更多个器官腔(4,4a,4b)，它们相对于微流控进料通道(6)的一个出口(10)是放射状地排列的。 
12.如权利要求11所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中器官腔(4,4a,4b)是处于盘的圆锥形区段的形式。 
13.如权利要求11所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中将该干细胞腔(9)安排为与该微流控进料通道(6)的出口(10)相对。 
14.如权利要求1至5、12和13任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该一个或多个器官腔(4,4a,4b)和/或该至少一个传感器(8,8a,8b)是可显微镜观察的。 
15.如权利要求2至5、12和13任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该干细胞腔(9)是可显微镜观察的。 
16.如权利要求1至5、12和13任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中传感器(8,8a,8b)选自： 
(a)pH传感器； 
(b)pO2传感器； 
(c)分析物捕获传感器； 
(d)电导率传感器； 
(e)等离子体共振传感器； 
(f)温度传感器； 
(g)CO2传感器； 
(h)NO传感器； 
(i)趋化性传感器； 
(j)细胞因子传感器； 
(k)离子传感器； 
(l)电位分析传感器； 
(m)电流分析传感器； 
(n)流通式传感器； 
(o)填充传感器； 
(p)阻抗传感器； 
(q)电导率传感器； 
(r)电磁场传感器； 
(s)表面声波(SAW)传感器；以及 
(t)代谢传感器。
17.如权利要求1至5、12和13任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中二个或更多个传感器(8,8a,8b)被安排在从一个器官腔(4)到该培养基废物池(5)的流动路径中。 
18.如权利要求1至5、12和13任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该培养基废物池(5)包括一种亲水材料和/或一个微泵被安排在培养基进料池(2)和培养基废物池(5)之间的流动路径中。 
19.如权利要求1至5、12和13任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，进一步包括加热装置，该加热装置被安排为加热该至少一个 培养基进料池(2)和/或该至少一个器官腔(4,4a,4b)。 
20.如权利要求19所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该加热装置(11)由铟锡氧化物、铂以及金组成。 
21.如权利要求1至5、12、13和20任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，进一步包括一个温度传感器，安排该温度传感器来确定该至少一个培养基进料池(2)和/或该至少一个器官腔(4,4a,4b)中的温度。 
22.如权利要求1至5、12、13和20任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该装置包括至少一个培养基层(12)以及一个器官生长区域层(13)。 
23.如权利要求22所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该培养基进料池(2)和/或该培养基废物池(5)被安排在该培养基层(12)中。 
24.如权利要求22所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该培养基层(12)包括一个或多个开口，每一个开口允许进入一个器官生长区域(3)。 
25.如权利要求22所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该器官生长区域层包括一个上封闭层(14)、一个器官腔层(15)以及一个下封闭层(16)。 
26.如权利要求25所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中上封闭层(14)包括一个或多个开口，每一个开口允许进入一个器官生长区域(3)，以及任选地在器官生长区域(3)的区中的器官特异性表面结构。 
27.如权利要求26所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该器 官腔层(15)包括一个或多个器官腔(4,4a,4b)和/或干细胞腔(9)以及任选地多个微流控通道。 
28.如权利要求27所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中该下封闭层(16)包括以下各项的一种或多种：加热装置(11)、温度感知装置(23)、或多个电接头，这些电接头用于将该装置连接至一个保持装置(18)的相应的电接头(19)上。 
29.如权利要求1至5、12、13、20和23-28任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)，其中培养基池(2)包括一种细胞生长培养基。 
30.一种制造如权利要求1至29任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)的方法，包括将一个培养基层(12)流体密封地结合至一个生长区域层(13)或它的部分的步骤。 
31.一种用于在运行过程中维持如权利要求1至29任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)的电源单元(17)，包括： 
(a)用于可释放地接合自含式芯片上器官装置(1)的保持装置(18)，以及 
(b)用于将该自含式芯片上器官装置(1)上的多个相应接头连接至该电源单元(17)上的多个电接头(19)。 
32.如权利要求31所述的电源单元(17)，进一步包括指示器装置。 
33.如权利要求31或32所述的电源单元(17)，进一步包括调节装置。 
34.如权利要求31或32所述的电源单元(17)，它被配置为将至少二个芯片上器官装置(1)彼此上下保持。 
35.一种在如权利要求1至29任一项所述的自含式芯片上器官装 置(1)中建立器官和/或类器官的方法，包括以下步骤： 
(a)将一种细胞悬液或一种组织切片载入一个或多个器官腔(4,4a,4b)中，并且 
(b)流体密封地将该一个或多个器官腔(4,4a,4b)密封。 
36.如权利要求35所述的方法，其中该细胞悬液包括全能性的或多能性的干细胞、谱系定型细胞、分化细胞、细胞外基质组分、或它们的混合物。 
37.如权利要求35或36所述的方法，其中在步骤(b)中使用了纤维蛋白胶、喷有生物相容性聚合物箔的绷带、或凝结产品。 
38.如权利要求35或36所述的方法，包括孵化该自含式芯片上器官装置(1)直到一个器官或类器官形成的进一步的步骤。 
39.如权利要求38所述的方法，其中该孵化是在没有外部控制温度和/或没有提供一个限定的气氛和/或没有提供外部无菌性下进行的。 
40.测试一种或多种测试化合物对在如权利要求1至29任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)中建立的一种或多种器官和/或类器官的影响的一种方法，该方法包括： 
(a)提供如权利要求1至29任一项所述的一个自含式芯片上器官装置(1)，该装置包括一种或多种器官和/或类器官，或者 
执行在如权利要求35至39任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)中建立一种器官和/或类器官的方法， 
(b)将一种或多种测试化合物加入至该器官和/或类器官； 
(c)以显微方式评价该器官和/或类器官；和/或 
确定由一个或多个传感器(8,8a,8b)可确定的一个或多个参数。 
41.包括一种或多种器官和/或类器官的如权利要求1至29任一项所述的自含式芯片上器官装置(1)用于测试一种或多种测试化合物对这些器官或类器官的影响或用于检查器官或类器官的功能的用途。 
42.如权利要求41所述的用途，其中确定了该一种或多种测试化合物的疗效、副作用、生物安全性或作用方式。 
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