精准医疗的又一利器：器官芯片

天大神经工程

2017-10-06 分享

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吉玛基因

精准医疗的又一利器：器官芯片原创

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尽管芯片给人的印象是电脑的组成部分，但科学家们正在慢慢建立起更能模拟人类器官功能的各种芯片系统。跳动的心脏，呼吸着的肺，这些都已经在芯片上得以实现了，而且以后会逐步成为人类机体研究的热门模型。

来自哈佛大学Wyss研究所的科学家们已经在芯片上构建了15个不同的人源器官。最早构建的是具有两个通道的肺泡芯片：上部黄色通道是空气流通管道—布满人源的肺泡上皮细胞；下部蓝色通道由是血管细胞组成，其内部流通着含有血细胞的溶液。此外，科学家们还能往黄色通道充气从而更好模拟肺泡功能（见图1）。

Wyss研究所的总监Donald Ingber说，他发现机械压力跟化学品以及基因一样对器官发育功能起着重要作用，所以构建了这个可以模拟肺泡物理压力的芯片模型，以此挖掘出物理作用的生理重要性，同时也可以用来药物筛选。

图 1：一个肺芯片—黄色是空气流通管道，蓝色是血液样营养基流通管道；两管道都布满了人类肺泡细胞。来自哈佛大学Wyss研究所。

这个研究所的最新发明是呼吸道芯片（见图2），主要由人的支气管上皮细胞组成，可以用来构建慢性阻塞性肺病和哮喘的疾病模型。通过连接一个燃烧的香烟装置，科学家们已经用这个芯片模拟吸烟者的肺部情况，研究了吸烟对肺上皮细胞的影响。

图 2：一个气管芯片上的人细支气管上皮细胞的特写镜头。粘液转运纤毛（粉红色）正在从上皮细胞（蓝绿色）内伸出到空气腔内。来自哈佛大学Wyss研究所。

一位范德堡大学生物医学工程师的课题组设计了一个可以研究大脑以及血脑屏障的芯片模型（见图3）。他们利用一个多孔膜隔开了设计的大脑模拟区及其周边的血管区，主要的组成细胞有人的皮质神经元，微血管内皮细胞，星形(胶质)细胞以及血管外围周细胞。这个芯片可以观察神经元和其他细胞对药物以及可穿透血脑屏障的炎症信号的代谢反应。

图 3：一个模拟人类血脑屏障的神经血管单位(NVU) 芯片的概念图。一个多孔膜隔开模拟的大脑腔室以及周边的血管。来自于范德堡大学的DOMINICDOYLE。

现南加州大学的MeganMcCain教授正在研究心脏芯片（见图4），他在曾就职于Wyss研究所时曾利用心脏芯片研究遗传性心肌乏力的巴氏综合征。“即使我们已经可以相对容易地构建转基因小鼠，但毕竟小鼠不能涵盖所有的人类疾病模型。”她说。器官芯片给人类疾病造模提供了更多的可能性。

图 4：心脏芯片的显微照片：红色的是心肌细胞，蓝色是细胞核，肌动蛋白呈绿色。来自南加州大学的MEGAN McCAIN 和 NETHIKA ARIYASINGHE

宾夕法尼亚大学的生物工程教授DanHuh和同事一起在芯片上构建了一只可以眨眼的眼睛（见图5）。这只“眼睛”约隐形眼镜的大小，类似于眼睛的视觉表面，由角膜和结膜细胞组成。另外，研究人员还专门构建了个眼睑使芯片表面润滑。他们正在使用这个模型来研究慢性眼部疾病像干眼症。他们还正在研发构建一个视网膜芯片。

图 5：在芯片上的一只眼睛：黄色的微流体通道给中间环状支架里的细胞给予营养物。团队还专门给这个眼睛安装了个微工程的眼睑。来自宾夕法尼亚大学的DAN HUH 实验室。

不同的单器官芯片慢慢丰富的同时，很多科研组开始将一些器官芯片组合起来构建器官系统芯片，美国西北大学的Teresa Woodruff教授和同事们一起将5个器官连接起来构建了一个人手大小的女性生殖系统芯片（见图6），并命名为“EVATAR”。EVATAR由一系列的管道和小水泵以及输卵管，子宫，阴道，卵巢和肝脏这5个器官的细胞组成。通过加入一些激素到EVATAR里的蓝色血液样液体里，这个芯片组织能模拟一个周期为28天的月经循环。研究者们希望能通过EVATAR来深入阐释生殖的生理和病例机制以及随后的药物筛选。他们也在准备研制相对应的男性生殖系统芯片—ADATAR。

图 6：EVATAR—一个女性生殖系统芯片。蓝色血液样液体在不同的小模拟器官中流通。来自美国西北大学。

MIT的Linda Griffith教授在美国国防部高级研究计划局的资助下开始制造“芯片上的人体”。她们准备在芯片上连接十多个器官微生理系统（见图7和图8）。Griffith教授的研究团队发现了器官之间的交联对于基因的器官特异性表达和功能有影响。Griffith教授认为目前该领域还处于发展初期。器官芯片，特别是相互连接的多器官芯片，对于免疫研究十分重要。

图 7：一个连接到软件上的多器官平台。每个通道口连接了一个小型生理模型系统，像是肺，肠或中枢神经系统。里面的流通液体模拟了心脏输出功能。来自PHYSIOMIMETICS, MIT。

图 8：对于体外模拟完整人体芯片的设想。每个生物工程设备里面可以立体培养感兴趣的器官细胞。来自PHYSIOMIMETICS, MIT。

编者按：因为科学和技术之间的相辅相成，学术间的比拼很大程度上开始依赖领域内的技术发展，特别是像生物芯片，器官芯片这些研究工具的技术更新。如果完善的“人体芯片”能构建起来，不但减轻了模式动物们的实验负担，而且也大大增加研究效率。在药物筛选以及精准治疗领域的应用更加直接高效。

http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/50097/title/Organs-on-Chips/