美國(guó)哥倫比亞大學(xué)工程系和醫(yī)學(xué)中心的一組研究人員報(bào)告說(shuō)，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種多器官芯片形式的人體生理模型，該芯片由經(jīng)過(guò)工程改造的人體心臟、骨骼、肝臟和皮膚組成，通過(guò)循環(huán)免疫細(xì)胞的血管流動(dòng)，以重現(xiàn)相互依賴的器官功能。

研究人員創(chuàng)造的這種即插即用的多器官芯片，大小與顯微鏡載玻片相當(dāng)，可為患者定制。由于疾病進(jìn)展和對(duì)治療的反應(yīng)因人而異，因此這種芯片最終將為每位患者提供個(gè)性化的治療。這項(xiàng)研究刊載于4月27日出版的《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》雜志上。

靈感來(lái)自人體

工程組織已成為疾病建模和在人體環(huán)境中測(cè)試藥物療效和安全性的關(guān)鍵組成部分。研究人員面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，是如何使用多種可進(jìn)行生理交流的工程組織來(lái)模擬身體功能和全身性疾病，就像它們?cè)隗w內(nèi)所做的那樣。然而，必須為每個(gè)工程組織提供自己的環(huán)境，以便特定的組織表型可維持?jǐn)?shù)周至數(shù)月，符合生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究的要求。使挑戰(zhàn)變得更為復(fù)雜的是，必須將組織模塊連接在一起以促進(jìn)它們的生理交流，這是對(duì)涉及多個(gè)器官系統(tǒng)的建模所必需的。

從人體的工作原理中汲取靈感，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)人體組織芯片系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，他們通過(guò)循環(huán)血管流動(dòng)將成熟的心臟、肝臟、骨骼和皮膚組織模塊連接起來(lái)，讓相互依賴的器官能夠像在人類的身體里。研究人員之所以選擇這些組織，是因?yàn)樗鼈兙哂忻黠@不同的胚胎起源、結(jié)構(gòu)和功能特性，并且受到癌癥治療藥物的影響。

“在保持其個(gè)體表型的同時(shí)提供組織之間的交流一直是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，”該研究的主要作者、哥倫比亞大學(xué)干細(xì)胞和組織工程實(shí)驗(yàn)室副研究科學(xué)家凱西·羅納德森-博查得說(shuō)，“因?yàn)槲覀儗Ｗ⒂谑褂迷醋曰颊叩慕M織模型，我們必須單獨(dú)使每個(gè)組織成熟，以便它以模仿患者身上的反應(yīng)方式發(fā)揮作用，我們不想在連接多個(gè)組織時(shí)犧牲這種先進(jìn)的功能。在體內(nèi)，每個(gè)器官都維持著自己的環(huán)境，同時(shí)通過(guò)攜帶循環(huán)細(xì)胞和生物活性因子的血管流動(dòng)，與其他器官相互作用。因此，我們選擇通過(guò)血管循環(huán)連接組織，同時(shí)保留維持其生物保真度所必需的每個(gè)單獨(dú)的組織生態(tài)位，模仿我們的器官在體內(nèi)連接的方式。”

組織模塊可維持一個(gè)月以上

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了組織模塊，每個(gè)模塊都在優(yōu)化的環(huán)境中，并通過(guò)選擇性滲透的內(nèi)皮屏障將它們與常見(jiàn)的血管流分開(kāi)。個(gè)體組織環(huán)境能夠跨越內(nèi)皮屏障并通過(guò)血管循環(huán)進(jìn)行交流。研究人員還將產(chǎn)生巨噬細(xì)胞的單核細(xì)胞引入血管循環(huán)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥笇?dǎo)組織對(duì)損傷、疾病療效的反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。

所有組織均來(lái)自同一系人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，從少量血液樣本中獲得，以證明個(gè)體化、患者特異性研究的能力。而且，為了證明該模型可用于長(zhǎng)期研究，該團(tuán)隊(duì)將已經(jīng)生長(zhǎng)和成熟4到6周的組織在通過(guò)血管灌注連接后又維持了4周。

研究人員還證明了該模型如何用于研究人類環(huán)境中的重要疾病，并檢查抗癌藥物的副作用。他們研究了多柔比星(一種廣泛使用的抗癌藥物)對(duì)心臟、肝臟、骨骼、皮膚和脈管系統(tǒng)的影響。他們表明，測(cè)試效果概括了使用相同藥物進(jìn)行癌癥治療的臨床研究報(bào)告的效果。

使用該模型研究抗癌藥物

該團(tuán)隊(duì)同時(shí)開(kāi)發(fā)了一種新的多器官芯片計(jì)算模型，用于對(duì)藥物的吸收、分布、代謝和分泌進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。該模型正確地預(yù)測(cè)了阿霉素代謝成阿霉素醇并擴(kuò)散到芯片中。在未來(lái)其他藥物的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)研究中，多器官芯片與計(jì)算方法的結(jié)合為臨床前到臨床外推提供了改進(jìn)的基礎(chǔ)，同時(shí)改進(jìn)了藥物開(kāi)發(fā)流程。

研究人員稱，新技術(shù)能識(shí)別出一些心臟毒性的早期分子標(biāo)志物，這是限制藥物廣泛使用的主要因素。最值得注意的是，多器官芯片準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了心臟毒性和心肌病，這通常需要臨床醫(yī)生減少阿霉素的治療劑量，甚至停止治療。

研究小組目前正在使用這種芯片的變體進(jìn)行研究，所有這些都在個(gè)體化的患者特定環(huán)境中進(jìn)行。如乳腺癌轉(zhuǎn)移、前列腺癌轉(zhuǎn)移、白血病、輻射對(duì)人體組織的影響、新冠病毒對(duì)多器官的影響、缺血對(duì)心臟和大腦的影響，以及藥物的安全性和有效性。研究團(tuán)隊(duì)還在為學(xué)術(shù)和臨床實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)一種用戶友好的標(biāo)準(zhǔn)化芯片，以幫助充分利用其推進(jìn)生物和醫(yī)學(xué)研究的潛力。

研究人員說(shuō)：“我們對(duì)這種方法的潛力感到興奮。它專為研究與損傷或疾病相關(guān)的全身性疾病而設(shè)計(jì)，將使我們能夠保持工程人體組織的生物學(xué)特性及其交流。一次一個(gè)病人，從炎癥到癌癥。”(記者 張夢(mèng)然)

關(guān)鍵詞： 即插即用的多器官芯片 多器官芯片 人體生理模型 多器官芯片形式的人體生理模型