一种即插即用的多器官组织芯片

近一个世纪以来，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，其中科学家们功不可没。与此同时，以小鼠为首的实验动物们也为人类医学做出了巨大的贡献。 众所周知，新药的安全性和有效性都是先在动物模型中进行评估。然而遗憾的是，由于物种间差距，实验动物通常不能准确预测出人体临床反应。因此，导致很多新药在顺利通过小鼠实验后，止步于人类临床研究。此外，个体间对药物的治疗反应差异也是药物测试中一个难以逾越的障碍。 近期，发表在Nature Biomedical Engineering上的一项研究中，来自美国哥伦比亚大学的研究团队通过十年研究，成功利用工程化的人类心脏、骨骼、肝脏和皮肤组织开发出一种即插即用的多器官组织芯片，革命性地改进了癌症和其他疾病的模型。该系统可以高度保真地模拟患者的生理学特性，从而可以为患者提供个性化给药和治疗方案。这项技术为改进药物开发开辟了新的途径。

通讯作者、哥伦比亚大学生物医学工程系Gordana Vunjak Novakovic教授说：“这对我们来说是一个巨大的成就。我们为此花了十年的时间，进行了几百次的实验，探索了无数伟大的想法，期间创建了许多原型。现在，我们终于开发出了这个平台，它可以成功地捕捉体内器官相互作用的生物学特性。” 在人体内，每个器官都保持着自己的环境，同时通过携带循环细胞和生物活性因子的血液流动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，保证组织间信号传递一直是一个重大的挑战。 为此，该团队设计了这个多器官组织芯片。它包含心脏、骨骼、肝脏和皮肤。这些器官组织具有截然不同的胚胎起源、结构和功能特性，很多药物尤其是抗癌药物会对它们产生负面影响。因此，这些器官组织对疾病建模和药物测试都具有重要意义。

研究人员通过血管连接各组织，同时保留了每个组织的生态位，这也是保持其生物保真度所必需的，以模拟器官在体内的连接方式。 这些组织来自于具有生物学特异性的患者诱导多能干细胞（hiPSC），并与生理相关的细胞外基质（ECM）内的支持基质细胞结合，在4至6周内生长并成熟。多器官组织芯片在培养的过程中保持了不同的人体组织（心脏、肝脏、骨骼、皮肤）的成熟表型，并通过血液流动连接起来。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、循环细胞和外泌体的交流成为可能。

研究人员还研究了常见的抗癌药物阿霉素对芯片中的心脏、肝脏、骨骼、皮肤和血管样本的影响。结果显示，该药物对器官组织的影响与使用同一药物的临床研究报告结果相似。多器官组织芯片成功反映出阿霉素在人体中的药代动力学和药效学特征。这表明，这种新的模型为改进新药开发打开了新的大门。 Vunjak-Novakovic教授表示："同时，我们还能够识别出一些心脏毒性的早期分子标志物，最值得注意的是，多器官芯片能够准确预测出心脏毒性和心肌病，这可以指导临床医生调整患者阿霉素的治疗剂量。" 该研究团队目前正在使用多器官芯片的变体版本进行研究，所有这些都是在特异性患者环境中进行的。包括乳腺癌转移、前列腺癌转移、白血病、辐射对人体组织的影响；新冠病毒对心脏、肺和血管系统的影响、缺血对心脏和大脑的影响；以及药物的安全性和有效性。他们还在为学术研究和临床实验室开发一种用户友好的标准化芯片，以充分利用其推进生物学和医学研究的潜力。 Vunjak Novakovic补充道：“让人感到兴奋的是，在对芯片器官进行了十年的研究之后，我们实现了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出来的功能性皮肤和骨骼）来模拟患者的生理学特性。它是专为研究如炎症和癌症等全身损伤或疾病状况而设计的，因而可以保持工程人体组织的生物学特性及其之间的信号传递。”

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41551-022-00882-6

审核编辑 ：李倩