近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的疾病被攻克和治愈，其中科學(xué)家們功不可沒(méi)。與此同時(shí)，以小鼠為首的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物們也為人類(lèi)醫(yī)學(xué)做出了巨大的貢獻(xiàn)。 眾所周知，新藥的安全性和有效性都是先在動(dòng)物模型中進(jìn)行評(píng)估。然而遺憾的是，由于物種間差距，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物通常不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出人體臨床反應(yīng)。因此，導(dǎo)致很多新藥在順利通過(guò)小鼠實(shí)驗(yàn)后，止步于人類(lèi)臨床研究。此外，個(gè)體間對(duì)藥物的治療反應(yīng)差異也是藥物測(cè)試中一個(gè)難以逾越的障礙。 近期，發(fā)表在Nature Biomedical Engineering上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)十年研究，成功利用工程化的人類(lèi)心臟、骨骼、肝臟和皮膚組織開(kāi)發(fā)出一種即插即用的多器官組織芯片，革命性地改進(jìn)了癌癥和其他疾病的模型。該系統(tǒng)可以高度保真地模擬患者的生理學(xué)特性，從而可以為患者提供個(gè)性化給藥和治療方案。這項(xiàng)技術(shù)為改進(jìn)藥物開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的途徑。

通訊作者、哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系Gordana Vunjak Novakovic教授說(shuō)：“這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的成就。我們?yōu)榇嘶耸甑臅r(shí)間，進(jìn)行了幾百次的實(shí)驗(yàn)，探索了無(wú)數(shù)偉大的想法，期間創(chuàng)建了許多原型?，F(xiàn)在，我們終于開(kāi)發(fā)出了這個(gè)平臺(tái)，它可以成功地捕捉體內(nèi)器官相互作用的生物學(xué)特性?！? 在人體內(nèi)，每個(gè)器官都保持著自己的環(huán)境，同時(shí)通過(guò)攜帶循環(huán)細(xì)胞和生物活性因子的血液流動(dòng)與其他器官相互作用。研究人員表示，在保持個(gè)體表型的同時(shí)，保證組織間信號(hào)傳遞一直是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。 為此，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了這個(gè)多器官組織芯片。它包含心臟、骨骼、肝臟和皮膚。這些器官組織具有截然不同的胚胎起源、結(jié)構(gòu)和功能特性，很多藥物尤其是抗癌藥物會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，這些器官組織對(duì)疾病建模和藥物測(cè)試都具有重要意義。

研究人員通過(guò)血管連接各組織，同時(shí)保留了每個(gè)組織的生態(tài)位，這也是保持其生物保真度所必需的，以模擬器官在體內(nèi)的連接方式。 這些組織來(lái)自于具有生物學(xué)特異性的患者誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSC），并與生理相關(guān)的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）內(nèi)的支持基質(zhì)細(xì)胞結(jié)合，在4至6周內(nèi)生長(zhǎng)并成熟。多器官組織芯片在培養(yǎng)的過(guò)程中保持了不同的人體組織（心臟、肝臟、骨骼、皮膚）的成熟表型，并通過(guò)血液流動(dòng)連接起來(lái)。內(nèi)皮屏障為每個(gè)組織提供了自己的優(yōu)化環(huán)境，同時(shí)使細(xì)胞因子、循環(huán)細(xì)胞和外泌體的交流成為可能。

研究人員還研究了常見(jiàn)的抗癌藥物阿霉素對(duì)芯片中的心臟、肝臟、骨骼、皮膚和血管樣本的影響。結(jié)果顯示，該藥物對(duì)器官組織的影響與使用同一藥物的臨床研究報(bào)告結(jié)果相似。多器官組織芯片成功反映出阿霉素在人體中的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)特征。這表明，這種新的模型為改進(jìn)新藥開(kāi)發(fā)打開(kāi)了新的大門(mén)。 Vunjak-Novakovic教授表示："同時(shí)，我們還能夠識(shí)別出一些心臟毒性的早期分子標(biāo)志物，最值得注意的是，多器官芯片能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出心臟毒性和心肌病，這可以指導(dǎo)臨床醫(yī)生調(diào)整患者阿霉素的治療劑量。" 該研究團(tuán)隊(duì)目前正在使用多器官芯片的變體版本進(jìn)行研究，所有這些都是在特異性患者環(huán)境中進(jìn)行的。包括乳腺癌轉(zhuǎn)移、前列腺癌轉(zhuǎn)移、白血病、輻射對(duì)人體組織的影響；新冠病毒對(duì)心臟、肺和血管系統(tǒng)的影響、缺血對(duì)心臟和大腦的影響；以及藥物的安全性和有效性。他們還在為學(xué)術(shù)研究和臨床實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)一種用戶(hù)友好的標(biāo)準(zhǔn)化芯片，以充分利用其推進(jìn)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的潛力。 Vunjak Novakovic補(bǔ)充道：“讓人感到興奮的是，在對(duì)芯片器官進(jìn)行了十年的研究之后，我們實(shí)現(xiàn)了通過(guò)連接毫米大小的組織（跳動(dòng)的心肌、代謝的肝臟以及從患者細(xì)胞中生長(zhǎng)出來(lái)的功能性皮膚和骨骼）來(lái)模擬患者的生理學(xué)特性。它是專(zhuān)為研究如炎癥和癌癥等全身?yè)p傷或疾病狀況而設(shè)計(jì)的，因而可以保持工程人體組織的生物學(xué)特性及其之間的信號(hào)傳遞。”

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

審核編輯 ：李倩