如果能把你的干细胞放在一个芯片上

2020
05/11

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干细胞者说
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如果能把你的干细胞放在一个芯片上,会发生发生什么呢?

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研发成本高,急需测试新药的有效工具

我们面临全球性的医疗挑战,那就是我们目前研发新药物的方式太昂贵,耗时太长,同时,研究结果失败多而成功少。这样是不行的,这意味着当病人急切地需要新的疗法时,却无法获得药物, 疾病也无从治疗。 似乎我们花的钱也越来越多。 这意味着,我们每花费十亿美元研究费, 而获准在市场上的新药却更少了。 

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药企研发费用和新药批准数目(图片来源:Forbes)

那么问题究竟出在哪?这里有一系列影响因素, 但我认为主因之一是我们目前缺乏有效工具来测试新药是否可用, 是否有疗效, 在开展人体临床试验之前是否安全。这些工具不能预测药物将对人体产生何种作用。 我们目前有两大主要工具可供使用:细胞实验和动物实验。

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两大法宝:细胞实验和动物实验

首先让我们讨论一下第一种工具,细胞实验。

 一般,细胞在我们体内“快乐的”工作。 我们取出细胞,将它们从原生环境中剥离出来,放进一个培养皿中, 并希望它们能照常工作。 猜怎么着。它们不工作了。 它们不喜欢新环境,因为新环境和它们生长的身体环境大不相同。

在讨论第二种工具,动物实验 动物实验确实可以提供十分有用的信息,使我们明白在复杂的有机体中药物如何作用,使我们了解更多这背后的机理。 但是往往, 动物体实验不能预测人类在使用特定药物时会发生的情况。所以我们需要更好的工具。 我们确实需要人类细胞, 但是我们需要找到一个方式使其在体外保持细胞活性。

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细胞芯片,动态的测试工具

人类身体有着动态的环境。 我们在不断的运动中。 细胞也是如此。 细胞生活在身体的动态环境中。 细胞经受长期的机械力。 所以如果想让细胞在体外存活, 我们就必须成为细胞方面的”建筑师“, 我们需要设计、 策划和建造细胞在体外的家。

而在哈佛大学维斯研究所(Wyss Institute), 我们已经这样做了。 我们称之为”芯片上的器官“。 我这里有一个,它很美丽,不是吗? 就在我的手中,这是 一个芯片上的人类肺细胞。

它并不只是美丽。 它可以做大量的事情。那个小小的芯片上有许多活细胞,这在在动态环境之中的细胞与不同类型的细胞进行交互。 有很多人尝试在实验室里培养细胞。 他们尝试了许多不同的方法。 甚至试图在实验室里培育小型迷你器官。 但这不是我们想做的。 我们只想在这个小小的芯片里重新创建一个最小的功能单位,并模拟细胞的生物化学环境, 功能和在身体中经历的机械拉力。 

它是如何工作的?让我展示给你看。 我们采用计算机芯片制造行业所用的芯片技术,按照细胞及其环境情况,建造具有相应规模的结构。 我们有三个流体通道。 在芯片中心,我们有一个多孔的、 可渗透的膜,透过这个膜,我们可以添加人体细胞,比如,人类的肺细胞, 然后在肺细胞下,我们可加入毛细血管细胞, 一种我们的血管中的细胞。 我们然后可以对芯片施以机械力, 所以细胞能受到在机体内当我们呼吸时,其所感受的机械力。

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细胞芯片制备过程(图片来源:MIT)

这张芯片是真的很美, 但它能做什么呢? 我们可以使用这些小芯片获得惊人的功能。 

让我来展示下。 比如说,我们可以模仿感染, 将细菌细胞添加到肺细胞上,然后再添加人类白细胞。 白细胞是人类身体的防御者,专门针对细菌入侵者, 当白细胞感觉到这种炎症感染, 它们将从血液进入肺,并吞噬细菌。 现在你能通过芯片上的活生生的人类肺细胞,观测到这种情况的发生。 我们已经标记过这些白细胞,所以你可以看到它们流过, 当白细胞发现感染, 就会粘在细胞壁上。 白细胞聚集在感染处,然后试着从血液通道一侧 进入肺细胞一侧。 

你可以看到,我们其实使每个白细胞进行可视化。 这个白细胞粘住后,扭动并通过细胞层,通过孔洞, 从膜的另一边出来,而在膜的这边,它将会去吞噬标记为绿色的细菌。 

在那小小的芯片里,你刚刚目睹了,当我们的身体受到感染时做出的一种最基本的反应。 这就是我们身体回应的方式 — — 免疫反应。 这是很令人兴奋的。

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细胞芯片, 探索潜在新疗法 现在我想跟你们分享这张照片, 不只是因为它特别美丽, 而是因为它告诉了我们大量的关于细胞在芯片中活动的信息。 它告诉我们,这些从我们的肺气道里提取的细胞,其实有一些绒毛般的结构,就像人们常常在肺里看到绒毛一样。 这些结构被称为纤毛, 它们的作用是将肺里的痰清除出来。 是这样的。痰。恶心。 但痰其实是非常重要的。 痰液捕获大气尘、 病毒、 潜在过敏原, 这些小纤毛移动,并将痰液清除。 当纤毛被损坏时,比如说被香烟烟雾损坏时, 它们就停止正常工作,也不能清除痰液, 就会导致支气管炎等疾病。 纤毛和痰液清除,也会与可怕的疾病有关,比如囊胞性纤维症。 但现在,通过使用这些芯片的功能, 我们可以开始探索潜在的新疗法。 我们并没有止步于芯片上的肺细胞。 我们有肠细胞芯片。  大家可以看到我这里就有一个。 我们已经把人类肠道中的细胞放在在芯片上, 它们生活在不断的肠道蠕动下,有条滴流通过肠细胞,我们可以模仿许多大家能想到的,在发生在人体肠道内的身体功能。 现在我们可以开始创建疾病的模型,如肠易激综合症。 这是一种疾病, 影响许多病患。 此病会使人衰弱, 确实还没有很多好的治疗方法。

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细胞芯片用以测试干细胞疗法(图片来源:ResearchGate)

现在,我们研发出了一整套不同器官的芯片, 用在实验室中对该疾病进行研究。 这项技术的真正力量 是从这一事实衍生而来: 我们可以将细胞通过液体连接起来。 有流体流过这些细胞, 然后我们可以开始互连多个不同芯片,以形成我们称之为虚拟的芯片人体。 

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下一步,人体芯片

现在我们真的很兴奋。我们并不会建造一个人体芯片, 我们的目标是要能够重新创建足够的细胞功能,使我们能够更好的预测人体反应。 

例如,现在我们可以开始探索当我们使用气雾剂药物时,身体将如何反应。那些像我一样有哮喘的人,使用吸入器时 我们可以研究药物如何进入肺细胞,如何进入人体,如何影响,比如说,心脏。 它会改变心脏的跳动吗? 有没有毒性吗?会被肝脏清除吗? 它是通过肝脏代谢吗?它是通过肾脏排泄吗?我们可以开始研究 药物对身体的动态反应。

这是一项创举,并将改变游戏规则,不管是制药业,还是其他不同的许多行业, 包括化妆品行业。 

我们可能会使用皮肤细胞芯片, 我们目前正在实验室中开发, 并测试您使用的化妆品中的成分是不是对皮肤安全, 而无需动物试验。 我们可以测试我们接触到的化学品的安全, 比如基于我们的日常生活环境的, 在普通家用清洁剂中使用的化学品。 我们也可将芯片器官应用在生物反恐中,或测试辐射暴露上。 我们可以用它们来了解更多关于疾病的特点,比如埃博拉病毒, 或其他致命的疾病,如非典型肺炎(SARS)。

6 个体化用药,器官芯片

器官芯片也可以改变我们在未来做临床试验的方式。

 现在,一般参与临床试验的被测者都是平均值。 往往是中年人,往往是女性。 临床试验并不多, 特别是涉及到儿童, 然而日常生活中,我们给孩子用药, 使用药物的安全数据 却是从测试成年人时取得的。 儿童不同于成人。 儿童对药物的反应也可能与成人不同。 还有其他的影响因素,像不同人群间的遗传差异可能会导致一部分高危人群, 承受药物不良反应的风险。

 现在想象一下, 我们是否可以从不同人群中提取细胞,把它们放上芯片, 并在芯片上创建这些人群。 

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器官芯片(图片来源:organs-on-the-chips)

这真的可以改变我们做临床试验的方式。 这正是我们团队和成员正在做的事。 我们中有工程师,有细胞生物学家,有临床医生在一起工作。 在 VIS 研究所我们确实观察到了 一些很不可思议的东西。 这真是一门综合学科,生物学正在影响我们设计的方式, 策划的方式,和建造的方式。这很令人兴奋。

我们要建立重要的产业合作,比如我们已与一家熟知大型数字化制造的公司合作。 他们会帮助我们制造,不是一枚, 而是数以百万计的芯片,这样,我们可以让尽可能多的研究人员 使用这些芯片。这是该技术至关重要的潜能。

现在让我给大家看看我们的仪器。 这是一台我们的工程师正在实验室中建造的样机, 这台仪器能使我们工程控制需要实现的功能, 那就是将 10 个或更多器官芯片连接在一起。 这台机器做的事情是非常重要的。 它将创建一个简单的用户界面。 所以像我这样的细胞生物学家可以拿起一块芯片,把它放在盒子里,像你看到的原型一样,将盒子放入机器里, 这就像你放 CD.一样然后就好了。 即插即用。很容易。

现在,让我们想象一下未来可能会是什么样子。如果能把你的干细胞放在芯片上, 或者把你的干细胞,放在一个芯片上。 它将只为你一个人创造一枚个性化的芯片。

各位都是单独个体, 而那些个体差异意味着我们对药物的反应方式有可能非常不同, 有时甚至无法预知身体反应的方式。 

就我自己来说,过去有两年,头痛得真的很厉害, 完全不能摆脱它,我当时想,"嗯,我要试点不同的药方",我吃了几片雅维。十五分钟后,我就在去急救室的路上了,哮喘全面发作。现在,当然没有致命,但不幸的是,有些药品的不良反应确是致命的。

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Geraldine Hamilton是英国赫特福德大学的的细胞生物学博士,致力于将学术成果运用于企业界。她目前的研究:生物芯片、药物代谢、基因表达和分化的机制。她同时也是初创公司CellzDirect的首席科技官。

视频来源:TED 网站

整理翻译:药明康德

本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:guikequan@hmkx.cn

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