首个由人体组织制成的多器官芯片,可定制

2022
05/06

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器械之家
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在科幻电影中,我们常常会看到科学狂人直接用人体做实验,从而快速获得关于某些药物的人体数据。

来源:生物世界

在科幻电影中,我们常常会看到科学狂人直接用人体做实验,从而快速获得关于某些药物的人体数据。在现实中,这严重违背医学伦理,显然是不可能开展的。但工程组织是一个很好的替代研究模型,它可以模拟人体的生理或病理状态,帮助科学家们快速测试药物的有效性和安全性。

值得注意的是,现有的工程组织大多是独立培养的,不同工程组织的培养条件相差甚远。因此,如何有机地整合多种工程组织来模拟身体功能和系统性疾病,并且让这些组织可以像在体内一样进行生理交流,成为了限制工程组织发展的难题。

近日,美国哥伦比亚大学的研究人员在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 上发表了题为:Amulti-organ chip with matured tissue niches linked by vascular flow 的封面论文。

该研究开发了一种即插即用、只有显微镜载玻片大小的多器官芯片。该芯片由心脏、骨骼、肝脏和皮肤等工程组织构成,它们通过血管流动与循环免疫细胞相连,从而实现相互依赖的器官功能的再现。

更重要的是,这种多器官芯片可以为患者量身定制,由于疾病的进展和对治疗的反应因人而异,这种芯片最终将使对每个患者的个性化优化治疗成为可能。

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该项目的负责人、哥伦比亚大学教授 Gordana Vunjak-Novakovic 说道:这对我们来说是一个巨大的成就,我们花了十年时间进行了数百个实验,探索了无数伟大的想法,建立了许多原型,现在我们终于成功开发了这个平台!

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灵感来自人体

实际上,想要把心脏、肝脏、骨骼和皮肤组织等不同的工程组织整合到一个系统中是十分困难的,因为这些组织有明显不同的胚胎起源、结构和功能特性,并且需要独特而不同的培养环境。

就像许多仿生学的应用,研究团队从人体的工作原理中获得了灵感。他们发现,可以通过模拟循环血管流将成熟的心脏、肝脏、骨骼和皮肤等工程组织模块连接起来,并使得相互连接的器官能够像在人体中一样进行交流。

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多器官芯片模型

该研究的第一作者 KaceyRonaldson-Bouchard 博士表示:在保持不同工程组织个体表型的同时提供组织间的交流是一个亟待攻克的难题。我们选择通过血管循环连接不同的工程组织,这是对我们体内器官连接的方式的一种模仿。

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优化后的组织模块可以维持一个月以上

在创建的多器官芯片中,每种工程组织都生活在其最优的培养环境中,并通过选择性可渗透内皮屏障将其与普通血管流分离。个体组织环境能够通过内皮屏障和血管循环进行交流。研究人员还将产生巨噬细胞的单核细胞引入血管循环,因为它们在指导组织对损伤、疾病和治疗结果的反应方面发挥着重要作用。

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通过血管屏障和血管流动实现组织特异性生态位的多器官交流

所有工程组织都来自同一系人类诱导多能干细胞(iPSC),从少量血液样本中获得,以证明该系统进行个体化、患者特异性研究的能力。为了证明该模型可以用于长期研究,研究团队将已经生长成熟的组织保存了4-6周,在血管灌注后再保存4周,这些相互连接的组织保持了其分子、结构和功能表型。

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多器官组织芯片培养4周后仍能保持各器官表型

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利用多器官芯片模型研究抗癌药物

研究团队还想证明该模型如何用于人类重要的系统性疾病的研究,例如检验抗癌药物的副作用。他们调查了阿霉素(一种广泛使用的抗癌药物)对心脏、肝脏、骨骼、皮肤和血管的影响。研究结果表明,通过多器官芯片模型获得的测试数据与临床研究报告十分接近。

不仅如此,团队还开发了一个新的多器官芯片计算模型,用于药物的吸收、分布、代谢和分泌的数学模拟。该模型正确预测了阿霉素在芯片内的代谢和扩散。这表明,在未来其他药物的药代动力学和药效学研究中,多器官芯片与计算方法的结合,将为临床前到临床提供了更好的基础,也将有助于改善药物研发流程。

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多器官组织芯片可以预测阿霉素治疗的药代动力学

该项目的负责人、Gordana Vunjak-Novakovic 教授表示,值得注意的是,多器官芯片准确预测了心脏毒性和心肌病,出现这种情况时,通常需要临床医生减少阿霉素的治疗剂量,甚至停止治疗。

总的来说,这项研究开发了一种即插即用、芯片化的多器官模型,该模型可以帮助研究抗癌药物在人体中的代谢和反应,从而加速药物的研发。此外,该模型也可以为特定患者量身定制,从而为患者提供最优化的针对性治疗策略。

据悉,研究团队目前正在拓展这种多器官芯片的应用,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,SARS-CoV-2 对心脏、肺和血管的影响,缺血对心脏和大脑的影响,以及药物的安全性和有效性。该团队还在为生物学和临床实验室开发一种用户友好的标准化芯片,以帮助推进生物和医学研究。

Gordana Vunjak-Novakovic 教授最后补充道:已经研究器官芯片10年的我,仍然为这项研究感到惊叹,我们可以通过链接毫米尺寸的组织来模拟患者的生理机能,包括跳动的心脏、代谢中肝脏、从患者细胞中长出的功能性皮肤和骨骼等等。我们对这种方法的潜力感到兴奋,它专为研究与损伤或疾病相关的系统状况而设计,在能够保持工程人体组织的生物学特性的同时维持它们之间的相互联系。这将为个性化治疗打开全新的大门,针对具体病人定制治疗方法。

参考链接:

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

https://www.engineering.columbia.edu/news/human-organ-chip-tissue-engineering

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关键词:
组织,研究,芯片,器官,工程

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