美國哥倫比亞大學工程系和醫(yī)學中心的一組研究人員報告說，他們已經(jīng)開發(fā)出一種多器官芯片形式的人體生理模型，該芯片由經(jīng)過工程改造的人體心臟、骨骼、肝臟和皮膚組成，通過循環(huán)免疫細胞的血管流動，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，可為患者定制。由于疾病進展和對治療的反應因人而異，因此這種芯片最終將為每位患者提供個性化的治療。這項研究刊載于4月27日出版的《自然·生物醫(yī)學工程》雜志上。

靈感來自人體

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

從人體的工作原理中汲取靈感，研究團隊構建了一個人體組織芯片系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，他們通過循環(huán)血管流動將成熟的心臟、肝臟、骨骼和皮膚組織模塊連接起來，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，是因為它們具有明顯不同的胚胎起源、結構和功能特性，并且受到癌癥治療藥物的影響。

“在保持其個體表型的同時提供組織之間的交流一直是一項重大挑戰(zhàn)，”該研究的主要作者、哥倫比亞大學干細胞和組織工程實驗室副研究科學家凱西·羅納德森-博查得說，“因為我們專注于使用源自患者的組織模型，我們必須單獨使每個組織成熟，以便它以模仿患者身上的反應方式發(fā)揮作用，我們不想在連接多個組織時犧牲這種先進的功能。在體內(nèi)，每個器官都維持著自己的環(huán)境，同時通過攜帶循環(huán)細胞和生物活性因子的血管流動，與其他器官相互作用。因此，我們選擇通過血管循環(huán)連接組織，同時保留維持其生物保真度所必需的每個單獨的組織生態(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月以上

研究團隊創(chuàng)建了組織模塊，每個模塊都在優(yōu)化的環(huán)境中，并通過選擇性滲透的內(nèi)皮屏障將它們與常見的血管流分開。個體組織環(huán)境能夠跨越內(nèi)皮屏障并通過血管循環(huán)進行交流。研究人員還將產(chǎn)生巨噬細胞的單核細胞引入血管循環(huán)，因為它們在指導組織對損傷、疾病療效的反應方面發(fā)揮著重要作用。

所有組織均來自同一系人類誘導多能干細胞，從少量血液樣本中獲得，以證明個體化、患者特異性研究的能力。而且，為了證明該模型可用于長期研究，該團隊將已經(jīng)生長和成熟4到6周的組織在通過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)對心臟、肝臟、骨骼、皮膚和脈管系統(tǒng)的影響。他們表明，測試效果概括了使用相同藥物進行癌癥治療的臨床研究報告的效果。

使用該模型研究抗癌藥物

該團隊同時開發(fā)了一種新的多器官芯片計算模型，用于對藥物的吸收、分布、代謝和分泌進行數(shù)學模擬。該模型正確地預測了阿霉素代謝成阿霉素醇并擴散到芯片中。在未來其他藥物的藥代動力學和藥效學研究中，多器官芯片與計算方法的結合為臨床前到臨床外推提供了改進的基礎，同時改進了藥物開發(fā)流程。

研究人員稱，新技術能識別出一些心臟毒性的早期分子標志物，這是限制藥物廣泛使用的主要因素。最值得注意的是，多器官芯片準確地預測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行研究，所有這些都在個體化的患者特定環(huán)境中進行。如乳腺癌轉移、前列腺癌轉移、白血病、輻射對人體組織的影響、新冠病毒對多器官的影響、缺血對心臟和大腦的影響，以及藥物的安全性和有效性。研究團隊還在為學術和臨床實驗室開發(fā)一種用戶友好的標準化芯片，以幫助充分利用其推進生物和醫(yī)學研究的潛力。

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

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