8種人體器官芯片，讓你看到一場看不見的技術(shù)革命

　　8種人體器官芯片，讓你看到一場看不見的技術(shù)革命。人類文明的進(jìn)程很大程度上是從技術(shù)發(fā)展推動的，當(dāng)下更是一個技術(shù)加速發(fā)展和革命的時代。企業(yè)家要想創(chuàng)造未來，就要對科技前沿有敏銳的洞察?？蒲蓄I(lǐng)域的新趨勢是什么？會帶來什么樣的新商業(yè)價值？

　　——王小川 搜狗公司CEO

　　成功研發(fā)一款新藥所需的人力和物力成本是巨大的。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，每一款新藥的研發(fā)資金平均為26 億美元，平均時間長于10年。其龐大的資金和時間成本意味著一旦項(xiàng)目失?。ㄆ骄÷矢哌_(dá) 88%），前期的努力將付之一炬。因此，制藥公司無不在急切地尋求提高研發(fā)成功率的手段。其中，最關(guān)鍵的一個方法便是在進(jìn)入臨床試驗(yàn)之前提高對人體對藥物反應(yīng)的預(yù)測的準(zhǔn)確率，從而盡早過濾掉存在高失敗風(fēng)險的項(xiàng)目，降低臨床試驗(yàn)的試錯成本。

　　為了達(dá)到這個目的，臨床前期試驗(yàn)中使用的模型的可靠性便變得尤為重要。因?yàn)槭褂媚Ｐ偷哪康氖菫樗幬镌谌梭w中產(chǎn)生的作用提供一個參考，所以模型與人體的相似程度直接影響研究結(jié)論的準(zhǔn)確程度。傳統(tǒng)試驗(yàn)所使用的動物模型存在著諸多缺點(diǎn)。除了分析起來非常復(fù)雜、耗時耗力、會引起許多道德問題外，動物模型最大的缺點(diǎn)便是無法準(zhǔn)確地模擬人體系統(tǒng)。盡管動物模型與人類共享的基因比例最高可達(dá) 99%（如小白鼠），但剩余 1% 的不同依然會帶來基因表達(dá)上的差異，從而導(dǎo)致兩個物種之間產(chǎn)生巨大的生理差異。許多疾病，例如帕金森或部分糖尿病的產(chǎn)生原因，并不是基因自身出了問題，而是因?yàn)榛蛟诒磉_(dá)過程中出現(xiàn)了變異。這些變異會導(dǎo)致藥物在動物體內(nèi)和人體內(nèi)引起截然不同的反應(yīng)。即便是非常細(xì)微的差別，也會隨著藥物研發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)而被放大，最終很有可能導(dǎo)致整個項(xiàng)目的失敗。因此，如何使用人體細(xì)胞建立模型代替動物模型，從而提高模型的可靠性和藥物研發(fā)的成功率，便是制藥產(chǎn)業(yè)試圖解決的一大難題。

　　近年來，人體細(xì)胞體外培養(yǎng)技術(shù)在一定程度上解決了動物模型與人體不匹配的問題。但是，在人體外培養(yǎng)細(xì)胞以期模擬人體內(nèi)部的環(huán)境是一件極困難的事情。它面臨的一個最大的挑戰(zhàn)就是如何在人體外建立一個和人體內(nèi)相似的環(huán)境。我們知道，細(xì)胞在人體中的生長環(huán)境是一個非常復(fù)雜的三維微觀環(huán)境。環(huán)境中的三維結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)信號影響著每一個在其中生長和分化的細(xì)胞。反觀現(xiàn)有的體外培養(yǎng)技術(shù)，細(xì)胞僅僅被培養(yǎng)在了一個二維的培養(yǎng)皿中。這個結(jié)構(gòu)過于簡單的培養(yǎng)皿無法有效模擬人體內(nèi)復(fù)雜且處于動態(tài)的細(xì)胞與細(xì)胞之間、細(xì)胞與不同環(huán)境之間的相互作用。這種環(huán)境上的不同導(dǎo)致在模型中繁殖的細(xì)胞與人體內(nèi)的細(xì)胞相去甚遠(yuǎn)，因而降低了模型的可靠性和臨床前期試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。因此，如何在人體外構(gòu)建一個適合細(xì)胞生長的天然環(huán)境是建立一個可靠體外模型的關(guān)鍵。

　　目前為止，我們還沒有足夠的技術(shù)構(gòu)建出一個還原度為100% 的人體模型。不過，相比還原整個人體的耗時耗力，科學(xué)家們將精力集中在了另一條路徑，即逆向工程（reverse engineering）上。逆向工程的目標(biāo)是還原目標(biāo)器官關(guān)鍵的部位和功能。這條路徑可以在不損失模型功能的情況下大大縮減實(shí)驗(yàn)成本。比如，如果我們要觀察藥物在腸道中的吸收效率，與其還原一整條腸道（耗時，復(fù)雜），不如只還原腸道表面負(fù)責(zé)吸收藥物的小腸絨毛結(jié)構(gòu)和表皮細(xì)胞。于是，一種以逆向工程為指導(dǎo)方針的新技術(shù)，“人體芯片”（human-on-a-chip）或稱“器 官芯片”（organ-on-a-chip），就成了時下最受關(guān)注的新一代藥物篩選測試平臺。這個平臺除了有能力模擬人體目標(biāo)器官的三維微觀環(huán)境之外，還擁有樣本量少、精度高、多功能和自動化四大特點(diǎn)。人體芯片之所以擁有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是因?yàn)樗墙⒃谖⒘骺匦酒╩icro?uidics）平臺上的一項(xiàng)技術(shù)。所以在介紹它之前，我們先簡單了解一下微流控芯片這個平臺。

　　微流控芯片平臺

　　微流控芯片是一項(xiàng)在微型的管道中操控和處理微量流體（體積通常 以微升計(jì)或更?。┑募夹g(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是從微體電子學(xué)（microelectronics）發(fā)展而來的。不同的是，微流控芯片的管道里流的不是電子，而是液體。雖然目前還處在初始研發(fā)階段，但微流控芯片在生物化學(xué)領(lǐng)域所帶來的好處以及未來的潛力已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可和接受。相較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)，微流控有三個最大的優(yōu)勢。

　　小型化

　　實(shí)驗(yàn)空間的縮?。ㄎ⒚准壱韵拢┎粌H可以節(jié)約樣本的使用量和減少廢料，也大大提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和精度。

　　集成化

　　像集成電路一樣，設(shè)計(jì)者可以在一塊微流控芯片上添加許多不同的功能板塊，每個功能板塊之間可以利用管道實(shí)現(xiàn)相互流通，大大減小了設(shè)備的體積。

　　自動化

　　微流控芯片的操作可以做到全自動化，從而降低了人工成本和實(shí)驗(yàn)耗時。正如集成電路的出現(xiàn)使昂貴且笨重的大型計(jì)算機(jī)的體積變小，并造成人手一臺筆記本電腦和智能手機(jī)的現(xiàn)象，微流控芯片的出現(xiàn)勢必會在不久的將來改變傳統(tǒng)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的模式，讓生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)更加普及化。

　　人體芯片概念

　　以微流控芯片為平臺，人體芯片旨在在人體外模擬人體內(nèi)部環(huán)境。這個內(nèi)部環(huán)境可以是某一塊組織，某一個器官，甚至多個器官的組合（比如整個人體）。人體芯片的制作方法簡單來說就是先在微流控芯片中搭建一個目標(biāo)組織或器官的三維模型，然后將人體細(xì)胞培養(yǎng)在模型上。除了擁有微流控芯片技術(shù)的低成本、高效性和可控性等優(yōu)點(diǎn)，人體芯片還可以更準(zhǔn)確地模擬人體內(nèi)微米級或更小的三維環(huán)境，從而增加了藥物篩選及測試的準(zhǔn)確性和可靠性。

　　到目前為止，已經(jīng)發(fā)表的不同器官的人體芯片研究成果包括以下 8 種：腸道芯片（gut-on-a-chip）、肺部芯片（lung-on-a-chip）、心臟芯片 （heart-on-a-chip）、血管芯片（vessel-on-a-chip）、腫瘤芯片（tumor-on-achip）、胎盤芯片（placenta-on-a-chip）、人眼芯片（eye-on-a-chip）和人體芯片（human-on-a-chip）。

　　腸道芯片

　　口服藥物進(jìn)入人體的第一途徑就是通過腸道的吸收，所以建立一個人體腸道模型可以為口服藥物的吸收、代謝等研究帶來幫助。傳統(tǒng)的體外培養(yǎng)皿技術(shù)將腸道表皮細(xì)胞培養(yǎng)在一張通透性膜上，從而形成一張二維的細(xì)胞膜將上下兩個空間隔離，模擬成人體腸道中內(nèi)腔（lumen）和血液（blood）的分界面。利用這個模型，科學(xué)家可以研究藥物從內(nèi)腔被吸收到血液的效率。然而，實(shí)際人體的腸壁充滿了小腸絨毛和褶皺等三維結(jié)構(gòu)，同時還有著大量的微生物菌落。這些特點(diǎn)都會影響藥物的吸收。

　　2012 年，美國哈佛大學(xué)Wyss 生物工程學(xué)院的Ingber 實(shí)驗(yàn)室首次 研制了一款腸道芯片。如圖 3–5 所示，研究人員將人體腸道表皮細(xì)胞培養(yǎng)在微流控芯片管道中帶有一定通透性的膜（transwell）上，并在管道兩側(cè)添加了周期性變化的氣壓（cyclicmechanical strain），在通透膜兩側(cè)添加了持續(xù)的水流來還原人體腸道的蠕動和食物水分的流動。這些物理變化帶來的好處就是還原了表皮細(xì)胞在人體腸道中所受的物理刺激，促使這些細(xì)胞進(jìn)一步分化，形成三維的褶皺和小腸絨毛結(jié)構(gòu)。除此之外，人體腸道中的微生物群落也被證明可以在這個模型里與腸道表皮細(xì)胞共生。和傳統(tǒng)的培養(yǎng)皿培養(yǎng)技術(shù)相比，這個模型在表皮細(xì)胞的面積和藥物吸收效率上更接近真實(shí)的人體腸道，在未來的藥物測試中有著巨大的潛力和市場。

　　肺部芯片

　　在動物體內(nèi)研究肺部組織具有相當(dāng)大的困難，因?yàn)檫@個器官持續(xù)地受到許多外力的影響，比如呼吸。2010 年，美國哈佛大學(xué)Wyss 生物工程學(xué)院的Ingber 實(shí)驗(yàn)室就首次在芯片中模擬了氣管表皮細(xì)胞的微環(huán)境。其研究人員在一層通透性膜上層培養(yǎng)了一層肺部氣管中的表皮細(xì)胞，在下層則培養(yǎng)了一層血管表皮細(xì)胞。通透膜的上層空間被通入空氣，模擬氣管內(nèi)腔；通透膜的下層則通入液體，模擬人體血液環(huán)境。這個管道的兩側(cè)還有兩個管道，可利用氣壓模擬呼吸循環(huán)中肺腑張力和液體壓力的變化。使用這個肺部芯片，研究人員展示了在氣管缺少表面活性劑的情況下，氣管表皮細(xì)胞受到的影響。

　　心臟芯片

　　研發(fā)心血管疾病藥物時面臨的困難主要來自如何在體外還原心臟微環(huán)境中的三維結(jié)構(gòu)（morphometric）、心肌組織的收縮性 （contractile）和電生理學(xué)（electrophysiological）的特點(diǎn)。2011 年，美國哈佛大學(xué)Wyss生物工程學(xué)院的Parker實(shí)驗(yàn)室研制出一款心臟芯片。其研究人員將心肌細(xì)胞培養(yǎng)在一種有彈性、可變形的薄膜上，形成一種肌肉薄膜（muscular thin ?lm）。每一個心臟芯片里都裝配了8 片獨(dú)立的肌肉薄膜，研究人員可在一次實(shí)驗(yàn)中同時觀測和對比心肌細(xì)胞在不同的刺激下的反應(yīng)。除了觀測心肌細(xì)胞的收縮，他們還可以觀察到收縮過程中產(chǎn)生的電信號。值得一提的是，肌肉薄膜可以被制作成不同的三維結(jié)構(gòu)，更好地模擬人體中的環(huán)境。研究者們成功地在芯片上測試了不同濃度腎上腺素對心臟肌肉細(xì)胞收縮性的影響。

　　血管芯片

　　許多心血管疾病發(fā)生前的重要征兆是患者出現(xiàn)高血壓。高血壓在最初的時候通常只是體內(nèi)某些微小血管中結(jié)構(gòu)和功能的病變。因此，更好地理解血管病變的成因可以增加我們對心血管疾病的預(yù)防和治療效果。2010 年，多倫多大學(xué)生理學(xué)院的Boltz 實(shí)驗(yàn)室研制了一款基于微流控芯片的動脈模型。其研究人員在芯片中搭建了一個空心的血管支架，然后在支架外側(cè)培養(yǎng)了一層血管表皮細(xì)胞和一層平滑肌肉細(xì)胞。表皮細(xì)胞通過自身分泌的血管收縮因子和血管舒張因子調(diào)節(jié)血管模型的三維形態(tài)。研究人員在血管模型的兩側(cè)還搭建了導(dǎo)管，用于模擬人體中血管周圍環(huán)境與血管的物質(zhì)交換。通過這個模型，研究人員發(fā)現(xiàn)，不是所有的應(yīng)激反應(yīng)都發(fā)生在整個血管表面，血管收縮的反應(yīng)就只涉及了血管的某一側(cè)細(xì)胞群。這個血管芯片實(shí)驗(yàn)平臺將會對心血管疾病藥物的初期研發(fā)階段產(chǎn)生巨大的幫助。

　　腫瘤芯片

　　與其他的器官芯片相比，腫瘤芯片的研發(fā)正在以非同尋常的速度發(fā)展。研發(fā)腫瘤芯片的目的在于還原復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境或者模擬腫瘤轉(zhuǎn)移，從而測試抗腫瘤藥物的效果。以微流控芯片為平臺，腫瘤芯片可以模擬傳統(tǒng)體外模型無法模擬出的腫瘤微環(huán)境中的關(guān)鍵因素，包括低含氧量、腫瘤和環(huán)境的互動以及營養(yǎng)物質(zhì)的濃度梯度。

　　2012 年，麻省理工學(xué)院癌癥綜合研究中心的Kamm 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出一款腫瘤芯片。在這款芯片中，腫瘤細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞被同時培養(yǎng)在三維的水凝膠環(huán)境中，從而模擬了腫瘤和血管的互動。代表人體免疫系統(tǒng)的巨噬細(xì)胞，則被培養(yǎng)在了血管內(nèi)皮細(xì)胞的另外一側(cè)。利用這個芯片，研究人員們研究了巨噬細(xì)胞釋放的腫瘤壞死因子（TNF-α）對腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移進(jìn)血管的促進(jìn)作用。

　　胎盤芯片

　　據(jù)調(diào)查，每年有11% 的孕婦會面臨早產(chǎn)以及早產(chǎn)帶來的胎盤功能紊亂的風(fēng)險。關(guān)于胎盤這個人們了解最少的人體器官，許多問題有待研究，譬如物質(zhì)是如何在母體和胎兒之間進(jìn)行交換的。這類問題的研究無法僅僅依靠一個單一的胎盤器官，而需要一個母體和胎盤相互連接的系統(tǒng)。

　　來自賓夕法尼亞大學(xué)生物工程學(xué)院的Huh（許）教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在《芯片實(shí)驗(yàn)室》（Lab on a chip）雜志上首次發(fā)表了關(guān)于構(gòu)建這個系統(tǒng)（胎盤芯片）的研究成果。研究人員將兩個并行的微流控管道之間用一片通透膜隔開。他們在膜的一側(cè)培養(yǎng)了滋養(yǎng)層細(xì)胞（一種處于胎盤最外層與母體血液交界處的細(xì)胞），在另一側(cè)培養(yǎng)了胎兒血管的表皮細(xì)胞。這兩層細(xì)胞模擬了胎盤隔離帶（placental barrier）這一將母體和胎兒循環(huán)系統(tǒng)隔離的區(qū)域。在胚胎發(fā)育的過程中，胚胎里的細(xì)胞不間斷地發(fā)生著變化。這層胎盤隔離帶也隨著胚胎的發(fā)育逐漸變薄。這個變薄的過程對胎兒和母體之間的物質(zhì)交換而言非常重要?，F(xiàn)在，胎盤芯片將首次使我們能夠直接觀測和研究這個變化的過程，大大促進(jìn)了我們對早產(chǎn)帶來的胎盤功能障礙的研究以及對其的治療。

　　人眼芯片

　　來自賓夕法尼亞大學(xué)的Huh 實(shí)驗(yàn)組的另一項(xiàng)研究成果是成功地在微流控芯片上模擬了人眼的結(jié)構(gòu)和眨眼的功能。研究人員將人體角膜細(xì)胞培養(yǎng)在一個3D 打印出的眼球表面弧線形狀的外殼上，以模擬眼球表面的角膜組織和結(jié)膜組織。之后，通過使用微流控芯片和自動化系統(tǒng)，研究人員模擬了淚水的分泌和眨眼的過程。這項(xiàng)新的技術(shù)可以用于眼睛相關(guān)的生理和病理研究，例如藥物或者環(huán)境污染對眼睛的影響。

　　人體芯片

　　盡管人體芯片是時下生物工程界最熱門的話題，但真正在微流控芯片中模擬出“人體”的實(shí)驗(yàn)成果卻不多。大多數(shù)時候，我們聽到的新聞都是關(guān)于在芯片中模擬出“人體的某一個器官”的研究成果。近期，來自美國哈佛大學(xué)和英國牛津大學(xué)的科學(xué)家們研制了7 種不同的小型人體器官模型，并將它們連接在了一起，組成了世界上第一個真正意義上的“人體芯片”。這個一半是細(xì)胞，一半是芯片，看上去像集成電路的微型人體看起來與人相去甚遠(yuǎn)，不過這并不重要。它的目的在于幫助開發(fā)和檢測新型藥物。

　　“相較動物模型，制藥公司更愿意使用這個人體芯片?！闭缬梭w芯片公司 CN Bio 的首席執(zhí)行官?，敗に够模‥mma Sceats）博士所說，制藥公司已經(jīng)開始將研究重心從傳統(tǒng)的動物模型向新型的體外器官模型或者其他生物技術(shù)上轉(zhuǎn)移了?？茖W(xué)家們的最終目標(biāo)是將人體的肝臟、腸道、心臟、腎臟、大腦、肺部、生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)和皮膚用器官芯片的方式連接到一起，組成真正的人體芯片（如圖3–5 所示）。這個目標(biāo)的最終達(dá)成將在極大程度上提升我們在生理健康、疾病預(yù)防和治療藥物等領(lǐng)域的研究水平。

　　人體芯片的未來

　　人體芯片技術(shù)具有先天優(yōu)勢，因此擁有不可小覷的市場前景。到目前為止，已經(jīng)有多個基于大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的初創(chuàng)公司成立。其中媒體最關(guān)注的是基于哈佛大學(xué)Wyss 生物工程學(xué)院的Ingber 實(shí)驗(yàn)室，成立于 2013 年的Emulate Bio 公司。Emulate Bio 公司的核心業(yè)務(wù)是通過人體芯片研究疾病、藥物、化學(xué)物質(zhì)和食物對人體健康的影響。其產(chǎn)品不僅包括肺部芯片、腸道芯片、肝臟芯片和大腦芯片等單個器官芯片，而且也包括將多個器官芯片整合到一起形成的模擬人體的系統(tǒng)。值得一提的是，Emulate Bio 公司的未來發(fā)展方向是利用用戶自身的細(xì)胞制造個人化的人體芯片（you-on-a-chip），從而改變用戶了解和管理自身健康的方式。

　　人體芯片有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，同時也面臨著技術(shù)和市場化的挑戰(zhàn)。具體如下。第一，如何利用人體胚胎干細(xì)胞（embryonic cells）或者誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞（iPS cells）建立一個可以持續(xù)使用的體外模型。第二，在現(xiàn)有的人體模型中，細(xì)胞大多生長在合成材料構(gòu)建的三維模型中。這些合成材料對細(xì)胞的刺激程度不如人體內(nèi)環(huán)境所帶來的刺激程度，還會影響細(xì)胞的生長。比如，某些細(xì)胞所需的生長物質(zhì)會被芯片材料所吸收。因此，如何進(jìn)一步提高芯片材料的生物適應(yīng)性（biocompatibility）也是一大難題。第三，現(xiàn)有的芯片材料雖然適合實(shí)驗(yàn)室里的芯片開發(fā)，卻不適合工廠里的大規(guī)模芯片生產(chǎn)。第四，由于該技術(shù)的全新性，人體芯片的下游數(shù)據(jù)分析還很難做到與現(xiàn)有的生物分析技術(shù)無縫對接。第五，人體芯片的發(fā)展需要在盡可能還原人體的復(fù)雜度和保持實(shí)際操作的簡便性之間找到一個平衡點(diǎn)。過低的人體還原度或者過高的操作需求都會限制人體芯片在市場上的推廣。

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