搜狐首页 财经 降龙

手机搜狐

SOHU.COM

人体器官芯片:把器官“种”在芯片上

从跳动的心脏到会呼吸的肺,人体器官芯片(Humanorgans-on-a-chip)已经成为人类生物学研究中最热门的新兴工具之一。

“心脏芯片”“肺芯片”“肝脏芯片”“血管芯片”“肠芯片”……科学家尝试在小小的芯片上构建一个个简化的人体器官。

这些芯片上的器官生理微系统,可在体外模拟人体不同组织器官的主要结构功能特征与复杂的器官间的联系,用以预测人体对药物或外界不同刺激产生的反应,这在生命科学和医学研究、新药研发、个性化医疗、毒性预测和生物防御等领域具有广泛的应用前景。

人体器官芯片的崛起

人体器官芯片崛起的动力是生命科学领域快速发展所产生的强烈需求,而以半导体加工方法为核心的微流控技术与细胞生物学交叉研究的成就积累是其得以快速发展的重要保障。

长久以来,生命科学和医学研究的主要目的是为了解析人类生命现象,探究人体生理活动以及疾病过程,并寻求有效治疗方案。

尽管生命科学领域的快速发展已为改善人类健康发挥了极其重要的作用,但是一个世纪以来,大量的生物学实验仍依赖于非常简单的单层细胞培养方式。

研究人员将不同来源细胞接种在具有刚性的基板上进行培养,研究观察多种细胞行为。

由于人体的复杂性,这种过于简化的研究方式不仅难以反映体内复杂的组织器官功能特点,更难以反映人体组织器官对外界刺激产生的真实响应。

虽然动物实验可以提供一定的体内信息,但仍存在种属差异和对实际人体反应预测能力较差等显著不足。

仅以药物研发为例,美国食品药品监督管理局

(FDA)调查显示,每种新药的研发周期平均长达10年,费用约为5~10亿美元;而约92%的药物经动物实验证实安全有效之后,在临床人体试验中失败,从而形成了新药研发领域高投入、高风险和低产出的尴尬局面。

正是这些迫切需求催生了人体器官芯片这一新兴技术的出现,同时也为解决上述瓶颈问题提供了一种基于组织和器官水平的创新研究体系和系统解决方案。

像真实器官一样工作

以“肾脏芯片”为例。

利用材料科学、干细胞研究、药物学等多个领域的技术和方法,哈佛大学的科学家制造出了一张长宽不足2厘米的肾脏芯片。虽然这张芯片并没有囊括肾脏的所有结构,但是它却能够重现肾脏完成其功能所必需的一项活动:过滤。

这张芯片的原理和结构非常简单。

整张芯片由两条通道、一层膜,外加两个“气压舱”构成,两条通道里“种”上了细胞,以模拟人体中过滤界面的细胞分布情况。

科学家随后对这张芯片进行了各个方面的检测,评估它是否能够很好地模拟出肾小体的过滤作用。

研究结果发现,这张芯片上的两种细胞在各项指标上都与肾脏中的两种细胞非常相似。

进一步的功能性检测发现,上方的通道中流动的小分子物质能够穿过界面流入下方的通道,而大分子的蛋白质则不能,这与真正的肾小体中发生的选择性过滤过程非常相似。

芯片上的“人”

人体是一个由多个器官组成的高度复杂的系统。各个器官之间并不是相互独立的,而是相互影响的。一个器官如果出现了问题,很有可能其他很多器官都会受到不良的影响。

以心脏为例。

如果一个人的心脏功能出现了异常,影响到了给全身的供血,那么很多脏器的正常功能都可能会受到影响。

出于这种复杂性,研究任何一种疾病或者检测任何一种药物的安全性和有效性,最理想的情况都是在一个完整的人身上进行实验。

随着人体器官芯片技术的发展,在芯片上同时构建多个器官的“多器官芯片”成为当前研究的热点。

据科学家推测,人体器官芯片的最终形式将拥有10种以上的器官类型,包括肝、肠、心、肾、脑、肺,以及生殖系统、免疫系统、血管系统和皮肤等,从而得到一个“芯片上的人”。

这样一来,就能够监控药物对芯片上“人体”的反应,并最终勘察出药物对不同器官或整个系统的药理和毒性作用,以便更加精细地研究各类疾病以及研发药物。

尽管人体器官芯片研究已取得显著进展,但其未来发展仍面临着诸多挑战,比如:如何建立更符合人体生理特征的器官芯片体系,如何实现多种器官的功能关联性和兼容性,以及如何实现芯片标准化和集成传感检测等。

考虑到上述重重困难,短期内构建出“芯片上的人”的可能性目前看来还比较小。

但即使是在目前的技术水平上,人体器官芯片也将很快能够在部分医学领域中大显身手。

从理论上来说:

精选