[转化医学前沿资讯]：新药筛选工具—3D人体组织芯片技术

新药筛选工具 — 3D人体组织芯片技术

为了更好地筛选新药并预知其安全和有效性，NIH投资1700万美元研发3D人体组织芯片技术。该项目作为NIH国家促进转化科学中心(NCATS)重点项目之一，NIH期望在3年内继续完善初步成果，将3D组织芯片整合模拟出人体器官和个体的机能。

范德堡大学科学家已将神经心肌单元成功地生长在一个预制芯片上而成为心脏组织芯片，用于潜在药物筛选。

为什么研发“人体组织芯片”模型？

众所周知，药物研发关键环节是从动物疾病模型向人体模型的转化验证(Proof of Concept)。这一步骤（药物临床试验也称其为首次人体试验First in human或零期/I期）不仅仅是验证试验性药物本身的毒性，更重要的是观测个性化免疫学和人体组织或器官具有的特异性。而这些特质往往在动物模型上无法展示出来。因此，科学家开始尝试将人体细胞培养成为具有组织和器官特性的芯片用来替代试验性药物首次人体试验。由于这些人体组织芯片不同于单纯培养细胞技术，更多地呈现或模拟出相应人体组织或器官功能。科学家可以利用这些芯片完成在人体上无法测试的“药物试验”，而获得同样的知识和针对疾病的潜在治疗意义。更具有现实意义的是此方法可重复试验而不比担心“受试者“的风险或损伤。

正如NIH院长Francis S. Collins博士所描述的：“开发人体组织芯片技术显示了人体生物学与工程技术最佳成功结合的案例。这些组织或器官芯片可以模拟活体组织和器官功能，而这些设想几乎是药物研发人员所梦寐以求的模型。”

今后药物研发创新模式和机遇

至今，大约80%潜在的创新药物都是在首次人体临床试验中被终结了。这是由于各种毒性风险或临床无效性，其中，约30%候选药物在动物疾病模型实验和细胞学实验中均显示出了很好的预期效果，但是在首次临床人体试验中并不尽人意。而且人体临床试验并非是潜在药物筛选的最佳模式这已经成为了业内共识。

作为引导美国临床与转化医学前沿领域的国家转化科学研究中心（NCATS）将继续在该领域资助和领导该项颠覆性技术，直到彻底改变和解决新药筛选的难题。 除了NIH投入的1700万美元，美国DARPA和FDA都将投入并参与该技术的实践验证和普及(五年预计投入7600万美元)。

人体组织芯片最新进展和谁在做？

NIH及其所资助15家科研机构协作共同开发该项技术。他们已经完成了模拟活体组织和器官的芯片，包括心脏、肝脏、血脑屏障、血管、肾脏、消化道、神经组织、脂肪组织，以及部分肿瘤组织等。另外，也模拟形成了男女生殖系统组织和器官芯片。这对于试验性药物在不同个体性别中的差异验证是非常有意义的。除了上述单一组织和器官芯片中验证药物的潜在作用，科学家还可以通过人体组织芯片来检测研究性药物在不同组织中的交叉作用，例如：研究性药物进入人体后，对肝组织/器官和消化道器官的不同药效或度性作用，以及药物在体内同时对肾脏和心脏的潜在作用等。下面是该人体芯片研究领域中的核心机构及项目：

Columbia University Health Sciences, New York City
Integrated heart-liver-vascular systems for drug testing in human health and disease

Duke University, Durham, North Carolina
Circulatory system and integrated muscle tissue for drug and tissue toxicity

Harvard University, Cambridge, Massachusetts
Human cardio-pulmonary system-on-a-chip

Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge
All-human microphysical model of metastasis therapy

Morgridge Institute for Research at the University of Wisconsin–Madison
Human-induced pluripotent stem cell and embryonic stem cell-based models for predictive neural toxicity and teratogenicity

Northwestern University, Evanston, Illinois
Ex vivo female productive tract integration in a 3-D microphysiologic system

University of California, Berkeley
Disease-specific integrated microphysiological human tissue models

University of Pittsburgh
A 3-D biomimetic liver sinusoid construct for predicting physiology and toxicity

University of Washington, Seattle
A tissue-engineered human kidney microphysiological system

Vanderbilt University, Nashville, Tennessee
Neurovascular unit-on-a-chip: Chemical communication, drug and toxin responses

Washington University in St. Louis
An integrated in vitro model of perfused tumor and cardiac tissue

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