一種即插即用的多器官組織芯片

近一個世紀以來，隨著現(xiàn)代醫(yī)學技術的飛速發(fā)展，越來越多的疾病被攻克和治愈，其中科學家們功不可沒。與此同時，以小鼠為首的實驗動物們也為人類醫(yī)學做出了巨大的貢獻。 眾所周知，新藥的安全性和有效性都是先在動物模型中進行評估。然而遺憾的是，由于物種間差距，實驗動物通常不能準確預測出人體臨床反應。因此，導致很多新藥在順利通過小鼠實驗后，止步于人類臨床研究。此外，個體間對藥物的治療反應差異也是藥物測試中一個難以逾越的障礙。 近期，發(fā)表在Nature Biomedical Engineering上的一項研究中，來自美國哥倫比亞大學的研究團隊通過十年研究，成功利用工程化的人類心臟、骨骼、肝臟和皮膚組織開發(fā)出一種即插即用的多器官組織芯片，革命性地改進了癌癥和其他疾病的模型。該系統(tǒng)可以高度保真地模擬患者的生理學特性，從而可以為患者提供個性化給藥和治療方案。這項技術為改進藥物開發(fā)開辟了新的途徑。

通訊作者、哥倫比亞大學生物醫(yī)學工程系Gordana Vunjak Novakovic教授說：“這對我們來說是一個巨大的成就。我們?yōu)榇嘶耸甑臅r間，進行了幾百次的實驗，探索了無數(shù)偉大的想法，期間創(chuàng)建了許多原型?，F(xiàn)在，我們終于開發(fā)出了這個平臺，它可以成功地捕捉體內(nèi)器官相互作用的生物學特性?！? 在人體內(nèi)，每個器官都保持著自己的環(huán)境，同時通過攜帶循環(huán)細胞和生物活性因子的血液流動與其他器官相互作用。研究人員表示，在保持個體表型的同時，保證組織間信號傳遞一直是一個重大的挑戰(zhàn)。 為此，該團隊設計了這個多器官組織芯片。它包含心臟、骨骼、肝臟和皮膚。這些器官組織具有截然不同的胚胎起源、結構和功能特性，很多藥物尤其是抗癌藥物會對它們產(chǎn)生負面影響。因此，這些器官組織對疾病建模和藥物測試都具有重要意義。

研究人員通過血管連接各組織，同時保留了每個組織的生態(tài)位，這也是保持其生物保真度所必需的，以模擬器官在體內(nèi)的連接方式。 這些組織來自于具有生物學特異性的患者誘導多能干細胞（hiPSC），并與生理相關的細胞外基質(zhì)（ECM）內(nèi)的支持基質(zhì)細胞結合，在4至6周內(nèi)生長并成熟。多器官組織芯片在培養(yǎng)的過程中保持了不同的人體組織（心臟、肝臟、骨骼、皮膚）的成熟表型，并通過血液流動連接起來。內(nèi)皮屏障為每個組織提供了自己的優(yōu)化環(huán)境，同時使細胞因子、循環(huán)細胞和外泌體的交流成為可能。

研究人員還研究了常見的抗癌藥物阿霉素對芯片中的心臟、肝臟、骨骼、皮膚和血管樣本的影響。結果顯示，該藥物對器官組織的影響與使用同一藥物的臨床研究報告結果相似。多器官組織芯片成功反映出阿霉素在人體中的藥代動力學和藥效學特征。這表明，這種新的模型為改進新藥開發(fā)打開了新的大門。 Vunjak-Novakovic教授表示："同時，我們還能夠識別出一些心臟毒性的早期分子標志物，最值得注意的是，多器官芯片能夠準確預測出心臟毒性和心肌病，這可以指導臨床醫(yī)生調(diào)整患者阿霉素的治療劑量。" 該研究團隊目前正在使用多器官芯片的變體版本進行研究，所有這些都是在特異性患者環(huán)境中進行的。包括乳腺癌轉(zhuǎn)移、前列腺癌轉(zhuǎn)移、白血病、輻射對人體組織的影響；新冠病毒對心臟、肺和血管系統(tǒng)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。他們還在為學術研究和臨床實驗室開發(fā)一種用戶友好的標準化芯片，以充分利用其推進生物學和醫(yī)學研究的潛力。 Vunjak Novakovic補充道：“讓人感到興奮的是，在對芯片器官進行了十年的研究之后，我們實現(xiàn)了通過連接毫米大小的組織（跳動的心肌、代謝的肝臟以及從患者細胞中生長出來的功能性皮膚和骨骼）來模擬患者的生理學特性。它是專為研究如炎癥和癌癥等全身損傷或疾病狀況而設計的，因而可以保持工程人體組織的生物學特性及其之間的信號傳遞。”

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41551-022-00882-6

審核編輯 ：李倩