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器官芯片面面观
2017-09-16 22:56:15   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,从跳动的心脏到会呼吸的肺,器官芯片已经成为人类生物学研究中最热门的新兴工具之一。尽管与人体部位相比,这些器件可能更接近计算机组件,科学家们已经为所有器官创建了工作模型,包括肝脏、肺,甚至是女性生殖系统。

麦姆斯咨询报道,从跳动的心脏到会呼吸的肺,器官芯片已经成为人类生物学研究中最热门的新兴工具之一。尽管与人体部位相比,这些器件可能更接近计算机组件,科学家们已经为所有器官创建了工作模型,包括肝脏、肺,甚至是女性生殖系统。

研究人员希望使用这些器件来模拟疾病并促进药物开发。哈佛大学Wyss生物启发工程研究所主任Donald Ingber向《科学家》杂志表示,“我认为对大多数人来说,共同目标是以更有效的方式取代动物实验并展开个性化医疗。”

小型肺

一款具有充满气体(黄色)和中等填充血样(蓝色)通道的肺泡芯片,内部均排列了人体细胞,以模仿器官功能

一款具有充满气体(黄色)和中等填充血样(蓝色)通道的肺泡芯片,内部均排列了人体细胞,以模仿器官功能

据麦姆斯咨询介绍,Wyss研究所的科学家们已经开发出15种不同的人体器官芯片。研究所开发的第一款器官芯片是肺器官芯片,是一款透明、U盘大小拥有两条通道的器件,空气填充的上层通道排列有肺泡上皮细胞,下层通道排列有血管细胞,含有白细胞的溶液会从通道中流过。

为了更接近地模拟人类生物学,研究人员利用真空使主通道内的中空管变形,借此来模拟呼吸运动。

“研究团队在芯片上的创新基于我的研究,结果显示,对于组织开发、维护和功能而言,机械外力和化学、基因学一样重要,”Ingber指出,“这款肺泡芯片能够为模拟正常器官的生理水平和疾病,发掘物理力的重要性,寻找新的治疗靶点,更甚至研发出新型药物,提供原理论证。”

Ingber及其同事也将机械外力引入了其它器官芯片,例如模拟肠蠕动运动的肠道芯片,以及模拟血管脉冲的肾脏芯片。

呼吸道芯片上的人体支气管上皮图像特写。粘液转运纤毛(粉红色)从上皮细胞(蓝绿色)伸出到充满空气的管腔

呼吸道芯片上的人体支气管上皮图像特写,粘液转运纤毛(粉红色)从上皮细胞(蓝绿色)伸出到充满空气的管腔

研究团队的最新发明之一是气道芯片,除了被取代的肺泡细胞,该器件类似于最初的肺芯片,芯片上排列着人体支气管上皮细胞。研究团队利用这些芯片模拟慢性阻塞性肺气肿疾病及哮喘。他们也使用这些器件研究吸烟对支气管上皮细胞的影响,这些器件会被连到一台能够点燃香烟并呼出烟雾,类似人类吸烟行为的机器。

创建血脑屏障

神经血管单元(Illustration of the NeuroVascular Unit, NVU)芯片图例

神经血管单元(Illustration of the NeuroVascular Unit, NVU)芯片图例,这是一款人类血脑屏障模型。多孔膜分离了大脑建模腔室和代表周围血管系统的腔室

据麦姆斯咨询报道,来自范德堡大学(Vanderbilt University)的生物医学工程师John Wikswo及其带领的团队已经创造出一款能够研究大脑和血脑屏障的芯片。

Wikswo writes在采访邮件中告诉《科学家》杂志,“我们之所以选择研究人体神经血管单元,是因为皮质神经元和保护它们的血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)之间的相互作用极其重要,因此把它称为神经血管单元。”

人体神经血管单元芯片由一个微型腔体构成,该微型腔体通过一个多孔膜分隔出一个代表大脑的腔室以及一个代表周围血管系统的腔室。芯片上含有来自人体的皮层神经元、微血管内皮细胞、星形胶质细胞和血管周围细胞。根据Wikswo的说法,这种组织结构“使我们能够研究神经元和其它细胞对通过血脑屏障传递出来的药物和炎症信号的代谢反应”。

该团队已经将神经血管单元芯片纳入一系列应用,例如调查疾病状态并研究炎症对疾病的影响。目前,该团队也正在启动一个新项目,利用这项技术帮助制药行业进行药物测试。

跳动的心脏

芯片上实验小白鼠心脏组织的显微图像

芯片上实验小白鼠心脏组织的显微图像,心肌细胞(红色)、细胞核(蓝色)和肌动蛋白(绿色)

据麦姆斯咨询报道,Megan McCain是南加州大学(University of Southern California)生物医学工程的一名教授,致力于心脏芯片的研究,橡皮擦尺寸大小的器件内可以容纳活的、跳动的心脏细胞。创建该器件的第一步是从患者身上提取皮肤细胞并将其重新编程成干细胞,之后将其培养成心肌细胞。第二步是将这些细胞放在通过生物工程制成的芯片表面上,从而创建心脏的自然环境。McCain指出,“我们感兴趣的关键指标是力的生成。”

2014年,当时还供职于Wyss研究所的McCain使用心脏芯片模拟了巴氏症候群(Barth syndrome),这是一种罕见的,与心肌减弱有关的遗传性疾病。目前,她的团队正致力于使用心脏芯片研究其它疾病。McCain告诉《科学家》杂志,“建立疾病模型是我认为心脏芯片所能发挥的最大作用,尤其是遗传性疾病。即使我们给出基因剔除鼠模型,我们也无法捕获人体疾病的方方面面。”

仿真眼

拥有微流控通道(黄色)的眼睛芯片

拥有微流控通道(黄色)的眼睛芯片,能够将营养物质带给位于圆形支架中心的细胞。该团队还开发了一个微工程眼睑,能够在芯片上模拟眨眼

曾经在Ingber实验室学习的博士后,来自宾西法尼亚大学(University of Pennsylvania)的生物工程教授Dan Huh和他的同事创建了这款眼睛芯片,以及能够眨眼的眼睑。

该芯片的尺寸和形状与隐形眼镜大致相同,接近眼表大小。芯片上包含来自角膜和结膜(覆盖眼睛的粘膜层)的人体细胞。研究团队也设计了眼睑,附在芯片表面模拟眨眼的效果,帮助保持芯片表面的润滑。

Huh说道,“我们发现眨眼运动对眼球表面组织的维持至关重要,我们正在利用该平台模拟某些慢性眼睛疾病,如干眼症。”根据Huh的说法,他的实验团队计划使用眼睛芯片来模拟其它眼睛状况,用于药物测试和开发,以及进一步测试和优化隐形眼镜。该团队目前也正在开发视网膜芯片。

“眼睛是我们实验室的重点研究领域之一。”Huh强调道,他和他的团队也研究其它各类器官芯片,包括肺和胎盘。

模拟月经

EVATAR是一款口袋大小的女性生殖系统模型

EVATAR是一款口袋大小的女性生殖系统模型,血样流体(蓝色)将流经含有微型器官的孔

据麦姆斯咨询介绍,许多研究团队都想要将不同的器官芯片整合,以重新创建器官系统,甚至是整个人体模型。西北大学(Northwestern University)妇产科教授Teresa Woodruff及其同事在一块手掌大小的芯片上整合了五种微型器官,成功建立了女性生殖道模型。

这款被称为EVATAR的芯片由一系列管道和微泵构成,流经细胞的蓝色的血样流体内包含5种迷你器官:输卵管、子宫、阴道、卵巢和肝脏。Woodruff表示,“该系统帮助我们实现以携带新鲜营养、移除废物的方式运送介质,这种运行方式与人体无异。”通过向循环液中增加激素的方式,该团队得以模拟28天的月经周期。

该研究团队希望利用EVATAR来阐明生殖生理及其相关疾病,以及相关的药物测试和研发。他们也在研究一款男性版本的芯片,并将其命名为ADATAR。

互联

研究人员将多器官平台连接到相关软件,每个孔都连接有一个微型生理系统

研究人员将多器官平台连接到相关软件,每个孔都连接有一个微型生理系统,如肺、肠道,或中枢神经系统,流体流经通道以模拟生理心脏输出

据麦姆斯咨询报道,来自麻省理工学院(MIT)的生物工程教授Linda Griffith及其同事是由美国政府国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DAPRA)资助项目的两组团队之一,他们创建了“身体芯片”,将10种不同的迷你器官系统与集成电路连接。另一组团队来自Wyss研究所。

根据Griffith的发言,他的团队最近“完成了DARPA的一个重要里程碑,在一个月内将10款器官微生理系统连接在了一起。”

连接多种器官芯片,能够帮助研究人员了解器官之间的相互作用。在他们最新的一次试验中,Griffith及其团队研究了炎症在相互连接的人体肠芯片和肝脏芯片中的作用。这项研究显示了除其它影响因素外,两个器官之间的串扰是如何影响基因表达和组织特异性功能的。

Griffith说道,“我认为目前该领域正处于思考器官内和器件间多种细胞类型相互作用的复杂生理学的早期阶段,尤其是当涉及到组织细胞与免疫系统相互作用的情况。我们的项目很大部分的关注重点在免疫学领域。”

人体芯片的艺术表现接近于体外生物学,生物工程设备培养了许多能够代表每个器官最小功能单元的3D组织培养

人体芯片的艺术表现接近于体外生物学,生物工程设备培养了许多能够代表每个器官最小功能单元的3D组织培养

太空中的大脑芯片

Emulate的器官芯片

Emulate的器官芯片,如大脑芯片,包含排列成千上万活的人体细胞和组织的微小中空通道,每个都有大约AA电池(5号电池)大小

据麦姆斯咨询报道,为了将Wyss研究所开发的器官芯片技术商业化,初创公司Emulate诞生了,公司产品包括肺心片、肝芯片和肠芯片。虽然上述芯片具有不同的细胞类型和功能,但标准化设计使它们的外观看起来很相似。该公司最近宣布了将其大脑芯片发送到国际空间站(International Space Station)的计划,用于研究除其它因素外,血脑屏障、压力和炎症将如何影响脑功能。

该公司的脑芯片包含神经元和血管内皮细胞,可用于模拟生理和血脑屏障。Emulate公司的总经理兼首席科学官Geraldine Hamilton解释道,“我们不仅仅是重建整个大脑模型,也包括器官的最小功能单元。在上述情境中,我们采取由微血管内皮细胞、神经元、星形胶质细胞和周细胞构成的血脑屏障,这些细胞以特定方式进行相互作用,也需要以特定方式进行组织,这就是我们在大脑芯片——如此小的尺寸上需要重新创建的东西。”

延伸阅读:

《微流控产业现状-2017版》

《器官芯片-2017版》

《生命科学分析市场-2017版》

《诊断应用的微流控技术专利分析-2017版》

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