工程师将一层人体肠道细胞植入到一小张柔性多孔薄膜中,各种器官的细胞位于芯片内的不同位置

微型生物芯片或将取代动物实验
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弗劳恩霍夫应用研究发展协会最近表示他们已经开发出一种非常有前途的微型生物芯片,能够逼真的模拟人体内复杂的代谢过程,将来或能在药物实验中彻底代替动物模型。

动物实验在现代医学与生物学中占据了极为重要的位置,但是经费以及动物伦理也成了难以回避的问题。哈佛大学韦斯研究所的生物工程师们试图减少甚至取代昂贵而耗时的动物实验——他们结合电子技术与生物科学技术,创造出了一种“器官芯片”,希望能够用微芯片复制人体器官的功能,使医学实验变得更为简便。

为了证实药物的有效性,动物一直是实验室必不可少的实验模型,因为往往在分离的单一组织或者细胞中测试某种物质的作用是远远不够的。评估药物在机体内的作用是从整体影响的角度来评价,代谢过程产生的有毒物质,可能会影响其他某些器官。但是问题是动物反应不能完全代表人体。

“器官芯片”并不是那种利用硅电子芯片进行人体器官模拟的模拟器,而是含有真正人体活体细胞的生物芯片。到目前为止,哈佛的工程师们已经制造出了“肺芯片”、“心脏芯片”以及“肠芯片”。在最近研发出的“肠芯片”中,工程师将一层人体肠道细胞植入到一小张柔性多孔薄膜中,然后再将薄膜附着到芯片壁上,利用小型空气泵的冲击,薄膜就可以像真正的人体肠道蠕动一样伸展和收缩。这样制造出来的“肠道芯片”与真实的人体肠道极为接近,它的表面甚至能够允许细菌的生长。

柏林科技大学生物技术研究所和德雷斯顿研究所(Dresden-basedInstitute)的研究人员合作,共同设计了一种新的解决方案——多器官芯片,以惊人的准确性复制了人体复杂的代谢过程。研究人员表示,他们是按照1:100,000的比例复制人类机体结构:各种器官的细胞位于芯片内的不同位置,而这些“微型器官”通过细小管道彼此连接。一个微型泵会持续通过这些微通道为各处“器官”输送液体细胞培养液,模拟人体的血液循环系统。这个芯片的一个极大的优点便是研究人员可以根据需要修改芯片的构造,比如“器官”的数量,与微通道的连接状态,模拟不同的病理或者生理状态。这个技术不仅可以应用在新药物活性成分检测,也适用于皮肤对于新型化妆品耐受情况测试。

在韦斯研究所制造的“肺芯片”中,他们在芯片顶部植入了人体肺部细胞,中部加入了一层薄膜,又在底部加入了人体毛细血管细胞。同样利用空气泵,将空气从芯片顶部通入,芯片底部的“人体血液”就会开始流动,同样会像真正的人肺一样伸缩。

其实用流体通道连接不同类型的细胞样品的概念已经不算新鲜,不过这个新技术,比起同类有几个明显的优势:专业的工程设计使得微型泵能维持小于0.5微升每秒管道液体流速,这个比率才能最佳模拟细胞和液体介质之间的关系。其次,芯片内的微流体系统保证恒定持续的流动状态,如同人体血液一样,这是很重要的。

这些芯片的制作与最近兴起的“芯片实验室”(LoC)技术息息相关,结合了微流体技术和硅芯片技术,大大加速了生物系统的分析过程。比如DNA的分析,利用这些技术,我们可以在短短几个小时中获得整个基因序列组信息,而在以前这个工作可能要花费数周甚至数月。

科研人员已经在芯片上加载细胞并测试了相关物质的作用,他们明确检测到了特定细胞中产生的代谢产物和其他细胞受到的影响。可以说,这种技术比在动物模型上试验药物更有说服力,因为动物的机体反应并不能1:1还原到人体身上。

在药物测试方面,“器官芯片”的优点显而易见:他们可以极高程度地模拟真正的人体测试,同时透明的芯片能让观测变得非常容易。当研究人员需要测试一种药物时,只需要将药物所含化合物加入芯片,再观察芯片中的肠道细胞(或是心、肺细胞)如何反应即可;人们也可以利用“器官芯片”测试药物(或者食物)的吸收速度,或是益生菌对人体器官的作用。韦斯研究所的研究人员已经利用“肺芯片”进行过毒素及污染物测试。

这个技术已经在某些化妆品行业投入使用。或许不久将来,微型芯片也会应用到药物研究领域。

更重要的是,这些“器官芯片”可以帮助人们更好地了解和处理疾病。很多种人类疾病是没有动物模型可供测试的,比如“克罗恩病”——这种病也称为“节段性肠炎”,多发于青年女性身上,但至今发病原因不明,也缺乏有效的治疗手段,最大的原因就是无法找到同样患有这种疾病的动物来进行药物测试,而利用“肠芯片”这个问题就迎刃而解了。同时,在医学界也经常遇到这样一种情况:某种药物通过了动物实验,却无法通过人体实验,因而无法真正投产上市,还造成了严重的成本浪费。如果药物研发机构直接使用“器官芯片”进行测试就可以省去动物实验步骤,节省大量的时间和金钱,还避免了许多动物保护方面的道德问题。

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