科学家成功研制出“多器官芯片” 可“高度模仿”患者生理！

来源：中国生物技术网2022-05-05 10336037

在对芯片上的器官进行了十年的研究后，我们可以通过连接毫米大小的组织(跳动的心肌、代谢的肝脏和从患者细胞生长的功能性皮肤和骨骼)来模拟患者的生理，这仍然令人惊讶。

在过去的一个世纪里，随着现代医学技术的飞速发展，越来越多的疾病被攻克和治愈，科学家们做出了巨大的贡献。与此同时，以老鼠为首的实验动物也在为人类医学做出巨大贡献。

众所周知，新药的安全性和有效性首先是在动物模型中进行评价的。不幸的是，由于物种之间的差距，实验动物通常无法预测人类的临床反应。所以很多新药在顺利通过小鼠实验后，就停止了人体临床研究。此外，个体对药物反应的差异也是药物检测中不可逾越的障碍。

在《Nature Biomedical Engineering》 (IF=25.671)发表的一项新研究中，美国哥伦比亚大学的一个研究团队通过十年的研究，利用工程化的人类心脏、骨骼、肝脏和皮肤组织，成功开发出即插即用的多器官芯片，彻底改变了癌症和其他疾病的模型。该系统能够高保真地模拟患者的生理特征，从而为患者提供个性化的药物或治疗试验结果。这项技术为改善药物开发开辟了新的途径。

这项研究的作者，哥伦比亚大学生物医学工程系的Gordana Vunjak-Novakovic教授说：“这对我们来说是一项伟大的成就。我们花了十年时间，数百次实验，无数伟大的想法和许多原型。现在，我们终于开发了这个平台，它可以成功地捕捉内部器官相互作用的生物特征。

在人体内，每个器官都维持着自己的环境，并通过携带循环细胞和生物活性因子的血流与其他器官相互作用。研究人员表示，在保持个体表型的同时，提供组织间的交流一直是一个主要挑战。

因此，团队设计了这种多器官组织芯片。它包含心脏、骨头、肝脏和皮肤。这些器官和组织具有完全不同的胚胎起源、结构和功能特征，抗癌药物尤其会对它们产生负面影响。因此，这些器官和组织对于疾病建模和药物测试具有重要意义。

研究人员通过连接各种组织，保持每个组织的生态位，这也是维持其生物保真度所必需的，从而模拟器官在体内的连接方式。

这些组织来源于生物特异性的患者诱导多能性(hiPSC)，并与生理相关的细胞外基质(ECM)中的支持性基质细胞结合，并在4至6周内生长成熟。

在培养过程中，多器官组织芯片保持了不同人体组织(心脏、肝脏、骨骼、皮肤)的成熟表型，并通过血流将它们连接起来。内皮屏障为每个组织提供了自己的优化环境，同时使细胞因子、循环细胞和外来体的交流成为可能。

研究人员还研究了芯片中常见抗癌药物阿霉素对心脏、肝脏、骨骼、皮肤和血管样本的影响。结果表明，这种药物对器官和组织的影响与使用相同药物的临床研究报告相似。多器官组织芯片成功反映了多柔比星在人体内的药代动力学和药效学。这表明这种新模式为改进新药的开发打开了一扇新的大门。

Vunjak-Novakovic教授说：“同时，我们还可以确定一些心脏毒性的早期分子标记，这是限制药物广泛使用的主要副作用。最值得注意的是，多器官芯片可以准确预测心脏毒性和心肌病，这意味着临床医生应该减少阿霉素的治疗剂量，甚至让患者停止治疗。

研究小组目前正在使用多器官芯片的变体版本进行研究，所有研究都是在特定的患者环境中进行的，包括转移、前列腺癌转移、辐射对人体组织的影响、新冠肺炎对心脏、肺和血管系统的影响、缺血对心脑的影响以及药物的安全性和有效性。他们还在为学术和临床实验室开发一种用户友好的标准化芯片，以充分利用其潜力推进生物和医学研究。

Vunjak Novakovic补充道：在对芯片上的器官进行了十年的研究之后，我们可以通过连接毫米大小的组织(跳动的心肌、代谢的肝脏以及从患者细胞中生长的功能性皮肤和骨骼)来模拟患者的生理状况，这仍然令人惊讶。我们对这种方法的潜力感到兴奋。它是专门为研究系统性损伤或疾病而设计的，它将使我们能够保持工程人体组织的生物学特性以及它们之间的通讯。一次一个病人，从炎症到癌症！

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