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人体芯片系统模拟10个相连器官的行为

人体芯片系统模拟10个相连器官的行为

现代药物的开发和最终批准在很大程度上依赖于动物模型和人类临床试验,但一段时间以来,科学家一直在研究另一种更方便的方法。通过在被称为“器官芯片”或“芯片上的器官”的小型设备上重现各种器官的功能,研究人员希望能大大减少测试新药安全性和有效性的时间和成本。现在,哈佛大学威斯研究所(Wyss Institute)的科学家们已经拼凑出10个这样的芯片,来创建一个功能良好的芯片上人体平台,这个平台可以为未来药物在人体中的作用提供全新而全面的见解。

这个研究项目的目的不仅仅是重现10个不同人体器官的复杂功能,而是通过流体通道将它们连接起来,观察模拟血液的流动如何影响整个系统。例如,一种药物在肾脏中筛选时可能是安全的,但在其他器官中可能产生副作用。这些身体-芯片系统的想法是在测试过程中尽早发现这些危险。

早在2017年,我们就观察了威克森林再生医学研究所(Wake Forest Institute for再生医学)科学家的“芯片上的身体”系统,该系统将多个器官模型整合成一个系统。怀斯研究所在此基础上提供了一个更完整的图景,科学家们尤其关注药物行为的两个方面。

第一个被称为药代动力学(PK),它转换到药物如何被人体吸收、分配、代谢和排泄,这最终决定了药物在血液中的残留水平。另一种被称为药效学(PD),是指一种药物影响其目标器官的方式,包括它如何工作的机制和任何潜在的副作用。

和我们过去看到的其他芯片一样,构成芯片上人体系统的器官芯片是大约记忆棒大小的微流体设备。一对平行的通道由多孔膜隔开,一边是特定器官的细胞,另一边是模拟血管的血管细胞。

这些芯片上的器官通过血管通道连接,在它们之间传输液体,模拟人体的血液流动。通过这种方式,科学家可以观察药物如何影响PK和PD,团队使用计算模型来预测药物如何影响整个人体。

“在这项研究中,我们使用一种高度优化的普通血液替代品,将八种不同器官芯片(包括肠、肝、肾、心、肺、皮肤、血脑屏障和大脑)的血管通道串联起来,同时独立灌注由器官特异性细胞排列的各个通道,”共同第一作者理查德·诺瓦克(Richard Novak)说。“该仪器在三周多的时间里保持了所有组织及其器官特异性功能的活力,重要的是,它使我们能够定量预测一种化学物质在整个系统中的组织特异性分布。”

在一项实验中,科学家们使用模块化平台连接器官芯片,模拟肠道、肝脏和肾脏。尼古丁被添加到肠道芯片,模拟口服药物,从肠道壁,通过血管系统到肝脏进行代谢,再到肾脏排泄。随后进行了质谱分析,研究小组证实了这种药物的作用过程及其效果与人类实验结果非常相似。

“计算出的最大尼古丁浓度、尼古丁到达不同组织隔间所需的时间,以及我们基于玻璃的硅模型中肝芯片的清除率,都与之前在患者中测量的结果非常接近,”本·茂兹(Ben Maoz)说。

在另一项实验中,研究小组观察了一种叫做顺铂的普通化疗药物对肾脏和骨髓的毒性。芯片上的机身平台再次被证明是一个精确的模型。

“我们的分析概括了顺铂对患者的药效学效应,包括不同血细胞类型数量的减少和肾脏损伤标志物的增加,”联合第一作者Anna Herland说。

审讯员:人类Organ-on-Chips

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