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聊一聊"器官芯片"可能带来的新医学革命 [复制链接]

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离线天の川
 

它看起来不像肾脏,但是这个“芯片上的肾(kidney-on-a-chip)”是新药测试的一个突破。从化学实验室的一个想法到市场上获得一种新的药物,这中间的成本是数年时间和数十亿美元。正因为如此,每年只有几十种新药获准在美国使用。
人类“器官芯片(organs-on-chips)”正在引领一场药品安全测试的革命。这些装置利用人体细胞对人体器官和组织的结构和功能进行建模。以“器官芯片”来检测药物对不同器官的潜在影响,比传统方法更快,此外,这种检测方式可以减少对动物研究的需要,并更好地预测哪些新药能有效地治疗人类疾病。
我们来自一个跨学科研究团队,目前正在研究一种肾脏芯片,为的是深入理解肾脏疾病的病理,以及寻找可以安全地治疗此类疾病的药物。
从历史上看,新药物的实验室检测是在培养皿中培养的细胞中进行的。如果一种药物在试管中通过了最初的筛选试验,研究人员下一步将在活体动物体内进行测试,以确定一种新药对整个系统的影响,而不是一次只使用一种细胞。最后,经过多年的实验室研究,研究人员将在人类身上测试一种有前景的新药,以确定它是否安全有效。
问题是,这些药物中有十分之九没有通过有效测试(从小规模人体测试到病人),因为它们最终证明是无效的或有毒的,即使它们在早期测试中显示出有希望的结果。
“器官芯片”有可能彻底改变这个系统。小到指甲大到信用卡一般的大小,“器官芯片”由流动的通道和包含人类细胞样本的小房间组成。全国各地实验室开发的“器官芯片”包括肾脏、肺、肝、肠、皮肤、大脑、心脏、骨骼和生殖系统。
在一个器官芯片上,流动的液体为细胞提供氧气和营养,类似于血液在人体中维持细胞的方式。正是这种持续流动性使得这些设备变得特别。比起在没有流动的扁平培养皿中培养的细胞,器官芯片上生长的细胞更像人类器官中的细胞。



图:液体在“肾脏芯片”上循环。
肾脏对人类的整体健康而言非常重要。这两个拳头大小的肾脏从身体中去除药物和不需要的化合物,并在维持适当的盐和水平衡、血压、维生素D和骨骼健康方面发挥关键作用。在某些情况下,遗传条件甚至是常用的药物都会损害肾脏。
在美国,15%的成年人患有肾病。但大多数人甚至都不知道,因为肾脏疾病通常在病情非常严重之前不会出现任何症状。我们迫切需要了解肾脏疾病是如何开始的,以及开发新的安全和有效的治疗方法。
在华盛顿大学,我们的“肾脏芯片”研究小组由来自不同学科的科学家组成,包括药学、药学、肾脏学(肾脏医学)、毒理学、生物化学和生物工程。我们的团队与当地一家生物技术公司Nortis公司合作,开发了一种小型设备——名片大小——最多有3个微型管道,每条管道的大小只有一滴水的千分之一,其中包含5000个人体肾脏细胞。当少量的液体通过管道输送时,肾脏细胞就会暴露在重要的信号中,这些信号可以帮助芯片中的细胞表现得像在活体肾脏里一样。
我们发现,当接触到已知的肾脏——毒素时,肾脏细胞会释放出被称为生物标志物(biomarkers)的信号。我们的研究表明,芯片上的细胞释放了在肾损伤患者的尿液中常见的损伤标记。用旧的方法进行测试,在培养皿上使用细胞,相同的治疗过程中没有显示任何损伤。这表明,在预测一种新药是否会对人体造成肾脏损害的情况下,“肾脏芯片”可能比现有的方法更好。



图:这些装置在测试分子如何影响人类细胞的过程中表现的更好。
现在,我们已经取得了这些有希望的结果,全国的科学团队开始将不同的器官连接起来,以复制一个更复杂的多器官系统,以便更深入地了解药物是如何影响人类的。例如,我们能够将肝脏芯片连接到肾脏芯片上,以便了解一种用于草药中的植物提取物(马兜铃酸,aristolochic acid )是如何损害了肾脏细胞。这种“芯片到芯片(chip-to-chip)”的研究进一步证实了一种研究需要,即以相互连接的器官芯片来模拟人体中复杂机制。
在接下来的一年里,我们的肾脏芯片项目将会成为向国际空间站发送的数个项目之一,在那里,低重力加速了细胞的变化,有时会给宇航员带来健康问题。空间站可能是一个完美的地方,可以在数周内发现更多关于肾脏疾病的信息,而不是几年或几十年。



器官芯片也可以被用来开发新的药物靶点。我们的研究小组正在评估肾脏芯片作为一种工具的适用性,以用于对肾癌、多囊肾疾病和慢性肾脏疾病患者进行药物选择和剂量的个性化治疗。其他器官芯片实验室正在研究免疫系统、大脑、肺、心脏和血管的疾病。数十个研究小组正以合作的方式来开发这项新技术,以革新药物发现,从而为所有人开发更好更安全的药物。
这篇文章最初发表在《The Conversation》上。
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