組織器官於人體中具有獨特的三維結構，傳統的二維單層培養無法使細胞真實反應在組織中的狀態，因此限制了篩選時預測的準確度。此外，傳統動物模式除了造成動物的生命損失外，動物間的變異性也會降低模擬人類真實病理情況的準確性。因此，運用器官晶片結合了微流體技術與類三維組織的建構，為藥物篩選提供體外模擬類組織的三維環境。這些系統使用微型製造的技術模擬體內環境中最關鍵的生理參數，例如複雜的多細胞結構、細胞間作用關係、以及輸送分子的屏障等。

　　人類的大腦是具有獨特組織結構與功能性的高度複雜器官，因其複雜度，若要在早期探究神經退化性疾病具有相當高的難度。而體外大腦晶片透過模擬組織或自體幹細胞分化的神經結構提供一穩定平台，可用於橋接二維細胞培養與動物實驗的演繹差距。

　　我們的團隊已成功在晶片上建構多層的神經網絡，此技術藉由在微流道系統中結合底層的微電極陣列與多維連接通道的平台誘導與促進神經幹細胞形成神經網絡。此外，我們也以水膠結合細胞的技術進行三維生物列印建立類大腦構造的神經/神經膠細胞共培養結構。這些體外類組織建構模型提供多用途且具吸引力的三維平台，未來可藉此獲得更多有關於大腦發育與運作的訊息，並應用於建立體外神經退化性疾病的模式，以及輔助新藥篩選與老藥新用的開發。

　　體外神經的建構與神經網絡的形成能以量化觀點為腦部功能性與神經元間傳導的探討提供極具吸引力的選擇。現有的方法多以動物實驗的模式紀錄神經元間的訊號傳遞與探究神經退化性疾病的形成過程與原因。然而，因動物實驗的變異性，使用其來研究神經網絡的再生以及探討可能使用的藥物分子及其訊息傳遞途徑的複雜度增加。因此，近期熱門的研究趨勢是建構體外仿造大腦結構的平台以模擬體內腦部的微環境控制。儘管多數傳統的體外模式都以二維細胞培養為基礎，但已有許多研究證明二維與三維培養在細胞行為與功能性上差異顯著，其中更特別提出三維培養對展現神經細胞特性具高度重要的效應。三維細胞培養建立的腦模擬平台具高度潛力，可應用於改善神經退化性疾病，因現有的治療方法與藥物篩選的過程中轉譯結果皆不盡理想。大腦體外晶片與三維類大腦組織結構可為現有的二維細胞培養及動物模式之間建立良好的架橋，以用於探討細胞間的作用關係、細胞的功能性與連續性的監控細胞反應。

　　神經幹細胞因具有自我更新的能力且能被誘導為功能性的神經元，經常被使用建立可供觀察神經傳遞與再生的體外模式。然而，誘導及控制神經突觸的生長方向、促進功能性神經突觸的分化、與分析神經突觸連接的情性都是研究中的難題。我們團隊藉由整合晶片的圖樣化與誘導且同時分析神經突觸生長的技術，建立了一個快速、可供即時量測、無需標記且非侵入式刺激與分析的平台。我們以逐層堆疊的聚電解質多層膜材料進行導電玻璃表面改質以誘導神經幹細胞分化；接著，製備具多通道連接的微型化圖樣誘導神經網絡的形成；而底部的微電極可用於實時監控神經網絡的連接情形。此微流道系統中所包含的微電極陣列與多維的平台可應用於每個單區域的電刺激，並可量測電阻值以判斷任兩顆神經球體間的突觸鏈接情形，進一步監控整體神經網絡的發展、組織與斷裂的過程。此技術可精確並局部控制神經元的刺激與監控神經網絡的鏈接與斷裂，未來可應用於生物性研究觀察與醫療策略的篩選。

圖一：體外腦部晶片的設計圖示、實際神經網絡的形成、與電阻量測的方法

　　透過控制三維多細胞的微環境創造體外的腦部模擬可再現三維細胞間的作用，此類平台具高度潛力應用於更真實的腦部疾病藥物篩選。此外，生物列印也是當今科學的重點技術，可快速建構高度複雜且精確重現三維空間的類組織結構。我們的研究團隊也致力於以三維生物列印的技術及光固化的生物高分子應用於建構三維類大腦共培養結構。其中，我們的生物列印結構中包含以神經纖維調控神經細胞叢結構的特徵化與神經膠的網絡，以模擬類大腦組織中星狀膠細胞與神經元間的作用關係。同時，圖二(a)可看出在此生物列印的仿腦部結構中，星狀膠細胞具有良好的生長活性，並且其突觸可延展形成三維網絡。再者，在此三維結構中，圖二(b)展現了一個多方向伸展的輻射狀神經纖維結構，證明透過光固化與細胞生物列印的技術，可有效製備以神經元排列的三維神經纖維結構。圖二(c)則顯示，此生物列印神經纖維中的神經細胞可沿著列印纖維排列，並在培養後建構典型的神經網絡結構。

圖二：三維類大腦神經/神經膠共培養結構 (a)三維神經膠細胞網絡 (b) 三維生物列印神經元排列的神經纖維 (c)神經元網絡

　　本團隊目前的研究成果讓我們更有信心於未來可透過結合三維生物列印與搭載細胞的生物墨水等技術，製備更仿真實大腦構造的體外類神經組織。而藉由這些微型化體外模式可進一步精確控制仿生的微環境、建立體外的神經疾病模式、並使用於探討疾病的生理與病理機制。我們的團隊目前也已嘗試在微晶片上更進一步建構體外的神經退化性疾病的模式，未來將可應用於探究疾病與治療策略的發展。