器官芯片(organs-on-chips)有哪些新进展?

2017年8月31日 16:39:24 来源: 生物通
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   器官芯片(organs-on-chips)是当今生物学研究中最热门的新工具之一。虽然它们听起来更像计算机组件,而不像人体部件,但科学家已经创建出各种器官的研究模型。《The Scientist》杂志近日介绍了这方面的进展。

  科学家认为,这些工具最终将取代动物模型,从而推动药物开发和个性化医疗。哈佛大学Wyss生物工程研究所的创始人Donald Ingber在接受记者采访时表示;“我认为,大多数人的目标是以一种更有效的方式来取代动物实验,并开展个性化医疗。”

  Wyss研究所目前已经开发出15种器官芯片,包括肺、肠和肾。肺芯片(lung-on-a-chip)是最早开发出来的,具有两个通道:上通道是通气的,充满人肺泡上皮细胞;下通道则布满血管细胞,让含有白细胞的溶液流过。研究人员还应用真空来模拟呼吸运动。这种芯片有助于寻找新的治疗靶点甚至新药。

  研究所的最新发明是一种称为气道芯片(airway-on-a-chip)的设备,可模拟人支气管上皮细胞,而不是肺泡细胞。据介绍,Ingber及其团队已经使用它来模拟慢性阻塞性肺疾病和哮喘。他们还想用它来研究吸烟对支气管上皮细胞的影响。

  范德堡大学John Wikswo领导的团队也开发出一款研究大脑和血脑屏障的芯片。他们重点研究人神经血管单元(NVU)。NVU芯片由一个微小的空腔组成,由多孔膜分成两个小室,一个代表大脑,另一个代表周围的脉管(包含神经元、星形胶质细胞等)。这种结构让人们能够研究神经元及其他细胞对药物和炎症信号的代谢反应。

  在南加州大学,生物医学工程教授Megan McCain则开发出心脏芯片,其中真的包含跳动的心脏细胞。她的团队希望利用这些设备来研究心脏方面的疾病。“我认为它的最大影响将是疾病建模,特别是遗传性疾病。即使我们有敲除小鼠,我们似乎也捕捉不到人类疾病的方方面面。”

  宾夕法尼亚大学的生物工程教授Dan Huh及其同事创建出真的能眨眼睛的眼睛芯片。它包含人类角膜和结膜的细胞,大小和形状有点类似于隐形眼镜。研究团队还设计了一个眼睑,它附着在表面,并不断眨眼,让芯片的表面润滑。这样,研究人员就能够更准确地模拟某些慢性眼部疾病,如干眼症或红眼病等。

  一些科学家的研究不仅仅局限于单个器官,他们将不同的器官芯片连接起来,以重建器官系统甚至整个人体。美国西北大学的Teresa Woodruff及其同事组建了五种器官的芯片模型,包括输卵管、子宫、阴道、卵巢和肝脏,以便模拟女性生殖道。

  Woodruff表示:“有了这个系统,我们就能够补充新鲜的营养物质,并排出废物。这正是身体内所发生的事情。”通过在循环的液体中添加激素,研究团队能模拟28天的月经周期。她们希望用此芯片来探索生殖方面的生理和疾病,并助力药物检测与开发。另外,她们也在着手开发一款男性版本的芯片。

  麻省理工学院的Linda Griffith教授及其同事则打算开发人体芯片(bodies-on-chips),旨在将十个不同的微器官系统连成一个集成电路。这种更大规模的芯片让研究人员能了解各器官之间的相互作用。

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