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魔幻現(xiàn)實主義科技:存在于芯片中的人體器官




新藥研發(fā)和試驗是一個漫長且耗資巨大的過程。為了制造出前景無限的化合物或者分子,科學(xué)家需要進行海量研究。此后,他們還要在動物身上進行試驗,如果安全有效則會在人體上進行臨床試驗。在這個過程中,科學(xué)家需要觀察藥物的安全性和療效,以及合適的用藥劑量。

過去很長一段時間內(nèi),科學(xué)家一直努力試圖簡化或者加速這個流程。為此,他們在小型芯片上模擬出人體器官(人工排列人體活細(xì)胞,使其模擬完整器官的功能和結(jié)構(gòu))。這就是所謂的“芯片仿真人體器官系統(tǒng)”(organ-on-a-chip systems)。在未來的某一天,這個系統(tǒng)也許會代替動物試驗,同時減少人體試驗所需要的步驟和時間。《Nature News》雜志的報道稱,這種充滿未來主義風(fēng)格的愿景正在慢慢變成現(xiàn)實。

這是一個“真實”的肺臟,但它不是真的

計算機的微芯片由硅樹脂材料打造而成,而芯片仿真人體器官也建造于這樣的材料之上:科學(xué)向經(jīng)過專門蝕刻打造的模具中澆筑液態(tài)硅膠,模具上有很多槽道,因此硅樹脂芯片上也就多了很多槽道。在這些槽道里,科學(xué)家安置培育了很多人體細(xì)胞。這些細(xì)胞從槽道的底部生長,而培養(yǎng)液則會在槽道中流動以便為細(xì)胞輸送營養(yǎng)。于是,科學(xué)家就可以在培養(yǎng)液中加入等待測試的新藥或者其他物質(zhì),觀察其與細(xì)胞結(jié)合之后的情況。

一般而言,最基礎(chǔ)的芯片仿真人體器官僅培育一種類型的細(xì)胞。為了模擬不同器官一起工作的狀態(tài),科學(xué)家需要為基礎(chǔ)版本芯片仿真人體器官增加新的功能和特性。比如哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)研發(fā)的芯片仿真肺部器官復(fù)雜度更高,可以模擬具有呼吸功能的肺部。在他們的實驗中,工作人員用薄膜隔開了硅樹脂芯片上的槽道,使其構(gòu)成了兩個隔室。接著,他們在每個隔室中放入了兩種不同類型的肺部細(xì)胞:一種可以與薄膜頂部空氣完成氣體交換,一種可以與隔室底部血液完成氣體交換。

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為了讓這個芯片仿真肺部器官具備呼吸功能,科學(xué)家不斷向隔室頂部輸送空氣,同時在隔室底部用液體模仿人體的血液流動。這樣一來,他們就可以觀察空氣中哪種分子可以進入肺部和血液中。這個過程模擬的其實就是人體從空氣中獲取氧氣,然后將氧氣儲存于血液中并輸送給全身細(xì)胞。

在另一個實驗中,哈佛大學(xué)的科學(xué)家還展示了一種抗癌癥藥物對人體的侵害——這種藥物會導(dǎo)致液體從薄膜的血液一側(cè)流向空氣一側(cè)。在人體中,這種藥物會使患者肺部充滿液體,從而導(dǎo)致呼吸困難。

生物技術(shù)公司和制藥公司之間的合作為我們帶來了芯片仿真人體器官系統(tǒng),以便加速藥品測試過程。據(jù)報道,荷蘭生物技術(shù)公司Mimetas研發(fā)了一種芯片仿真腎臟器官,而三家制藥公司已經(jīng)準(zhǔn)備好利用這款產(chǎn)品測試自己的新藥。

另外,強生也已經(jīng)對外宣布,計劃利用美國馬薩諸塞州生物技術(shù)公司Emulate的芯片仿真人體器官系統(tǒng)進行藥物試驗。值得一提的是,Emulate公司隸屬于哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所。報道稱,強生已經(jīng)開始在模擬人體血栓的芯片仿真人體器官系統(tǒng)上測試藥物,還計劃利用芯片仿真肝部來觀察藥物對人體肝臟是否有損傷。血栓和肝臟損害是藥物常見的潛在副作用,通過芯片仿真人體器官,我們就能更早地發(fā)現(xiàn)藥物的潛在危害。

芯片仿真人體器官:潛力無限的未來技術(shù)

從目前的情況來看,芯片仿真人體器官系統(tǒng)具有極大的潛力,能從很多方面改進現(xiàn)行的藥物檢測流程。

首先,在藥物試驗中,芯片仿真人體器官明顯優(yōu)于培養(yǎng)皿。科學(xué)家在肺癌的芯片仿真人體器官模型中進行藥物檢測時發(fā)現(xiàn),芯片仿真人體器官系統(tǒng)預(yù)測的最有效劑量和人體臨床檢測中發(fā)現(xiàn)的最有效劑量最為接近,預(yù)測結(jié)果比培養(yǎng)皿中細(xì)胞常規(guī)測試中的預(yù)測結(jié)果要精準(zhǔn)很多。這是因為,培養(yǎng)皿中的細(xì)胞都平鋪在一個平面上,而芯片仿真人體器官系統(tǒng)能夠更好地再現(xiàn)人體的三維機構(gòu)。對于研究類似于大腦這樣的復(fù)雜器官或者胎盤這樣很難在其工作時開展研究的器官而言,重現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)極為重要。

另外,這項新的技術(shù)在精確度上也優(yōu)于動物試驗。利用芯片仿真人體器官系統(tǒng)檢測新藥得到的結(jié)果比利用動物模型檢測得到的結(jié)果精確度更高。動物研究得出的檢測結(jié)果可能具有誤導(dǎo)性:有的藥物在動物身上出現(xiàn)不好的副作用,但是在人體上卻沒有這樣的問題(扼殺了一款優(yōu)秀藥物步入市場);有的藥物在動物身上沒有任何問題,但是在人體卻會產(chǎn)生副作用(導(dǎo)致昂貴的臨床試驗失敗,或者更糟糕的情況下會導(dǎo)致公眾遭受藥物有害的副作用)。
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