器官芯片

简述

科学家们希望这些设备有朝一日能取代疾病的动物模型，并有助于推进个性化医疗。

从心脏跳动到肺部呼吸，芯片上的器官是人类生物学研究中最热门的新工具。

尽管这些设备可能与计算机组件比人体部位更相似，但科学家们现在已经为包括肝脏、肺甚至女性生殖系统在内的一系列器官创建了工作模型。 

研究人员希望使用这些设备来模拟疾病并促进药物开发。“我认为对于大多数人来说，目标是取代动物试验并以更有效的方式进行个性化医疗，”哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所的创始主任唐纳德·英格伯告诉《科学家》杂志。

小肺

在 Wyss 研究所，科学家们已经在芯片上开发了大约 15 种不同的人体器官。

第一个是芯片上的肺，这是一个清晰的拇指驱动器大小的设备，有两个通道：一个充满空气的上通道内衬人类肺泡上皮细胞，一个下通道内衬血管细胞和一个含有白细胞的溶液流过。

为了更接近地模拟人类生物学，研究人员还通过施加真空使主通道内衬的空心管变形来模拟呼吸运动。

Ingber 说：“我们将新事物纳入 [我们的芯片] 是基于我的工作，该工作表明机械力与化学物质和基因对于组织发育、维护和功能同样重要。” “这个肺泡芯片为模拟正常器官水平的生理机能和疾病提供了原理证明，发现了对物理力重要性的新见解，发现了新的治疗靶点，甚至是新药。”

Ingber 及其同事还将机械力整合到他们的其他器官芯片中——例如，肠道芯片中的蠕动样运动和肾脏芯片中的血管脉动。

该研究所的最新发明之一是芯片上的气道，它类似于最初的肺芯片，不同之处在于该设备内衬人支气管上皮细胞而不是肺泡细胞。

该团队已使用该芯片对慢性阻塞性肺病和哮喘进行建模。他们甚至使用这种设备来研究吸烟对支气管上皮的影响，方法是将其连接到一台燃烧香烟并吸入和呼出烟雾以模拟人类吸烟者的机器。

建立障碍

NVU 芯片由一个由多孔膜隔开的微小腔体组成，该腔体将代表大脑的一个腔室与代表周围脉管系统的另一个腔室隔开。

它包含来自人类的皮层神经元、微血管内皮细胞、星形胶质细胞和周细胞。根据 Wikswo 的说法，这种结构“使我们能够研究神经元和其他细胞对通过 BBB 传递的药物和炎症信号的代谢组学反应。”

该团队已将这种 NVU 芯片用于各种应用，例如调查疾病状态和研究炎症的影响 。目前，他们还在启动一项计划，以使用该技术为制药行业测试药物。

跳动的心

南加州大学生物医学工程教授梅根·麦凯恩使用芯片上的心：小型橡皮擦大小的设备，可容纳活的、跳动的心脏细胞。

为了制造这些设备，研究人员首先从患者身上提取皮肤细胞，并将它们重新编程为干细胞，然后再发育成心肌细胞。

然后，他们将这些细胞放置在包含可重建心脏自然环境的生物工程表面的芯片上。“我们感兴趣的关键指标是力量的产生，”麦凯恩说。

2014 年，当时在 Wyss 研究所工作的 McCain 使用心脏芯片模拟了 Barth 综合征，这是一种与心肌减弱相关的罕见遗传性疾病。

目前，她的团队专注于使用这些设备来研究其他疾病。“疾病建模是我认为它会产生最大影响的地方——尤其是遗传性疾病，”麦凯恩告诉科学家。“即使我们制造了一只基因敲除小鼠，我们似乎也无法捕捉到人类疾病的所有方面。”

模拟眼睛

该芯片的大小和形状与隐形眼镜大致相当，接近于眼睛的眼表。它包含来自角膜和结膜（覆盖眼睛的粘膜层）的人体细胞。该团队还设计了一个眼睑，它附着在表面上，让眼睛眨眼，保持芯片表面的润滑。

“我们发现眨眼运动对于维持眼表组织非常重要，”Huh 说。“而且我们正在使用这个平台来模拟某些慢性眼病，例如干眼病。” 根据 Huh 的说法，他的实验室还计划使用该芯片来模拟其他眼部状况，用于药物测试和开发，以及测试和优化隐形眼镜。该团队目前还在开发视网膜芯片。

“眼睛是我实验室的主要聚焦区域之一，”Huh 说。他的团队还在为包括肺和胎盘在内的各种其他器官开发芯片。

模拟月经

许多团体的目标是将不同的器官芯片连接在一起，以重建器官系统甚至整个人体。西北大学妇产科教授Teresa Woodruff及其同事在一个手掌大小的芯片中将五个微型器官连接在一起，模拟女性生殖道。

这种被称为 EVATAR 的芯片是一系列管子和泵，它们通过含有五个微型器官的细胞——输卵管、子宫、阴道、卵巢和肝脏——携带蓝色的血液样液体。“[这个] 系统让我们能够以一种能够带来新鲜营养并消除浪费的方式移动培养基，”伍德拉夫说。“这就是身体发生的事情。” 通过向循环液体中添加激素，该团队能够模拟 28 天的月经周期。

研究人员希望使用 EVATAR 来阐明生殖生理学和疾病，以及药物测试和开发。他们还在研究芯片的男性版本，ADATAR。

太空中的脑芯片 

初创公司Emulate 的成立是为了将 Wyss 研究所开发的器官芯片技术商业化，包括肺芯片、肝芯片和肠芯片。虽然这些芯片具有不同的细胞类型和功能，但它们的标准化设计使它们从外面看起来完全相同。该公司最近宣布计划将其脑芯片发送到国际空间站，在那里它们将用于研究血脑屏障以及压力源和炎症如何影响大脑功能等。

该公司的脑芯片包含神经元和血管内皮细胞，用于模拟大脑生理和血脑屏障。Emulate 的总裁兼首席科学官杰拉尔丁·汉密尔顿( Geraldine Hamilton)说：“我们并不是要重建整个大脑，而只是重建器官的最小功能单位。” “例如，在这种情况下，[我们] 以血脑屏障为例，它由微血管内皮细胞、神经元、星形胶质细胞和周细胞组成——这些都以非常特定的方式相互作用，需要以非常特定的方式组织起来。方式——这就是我们在非常小的规模内在芯片内重新创造的。”