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微流控芯片:一种将替代传统动物测试的新技术

微流控芯片:一种将替代传统动物测试的新技术

在新药的临床前实验中,使用小白鼠模型能够了解新药对整体的影响,但不能很好地反映新药对人体的影响;使用体外培养的人体细胞,却缺乏整体的把握。全球科学家都在寻找一种更加迅速、有效的临床前实验方法,缩短药物研发周期,降低研发费用。

1.器官模拟芯片的前世今生

早在10多年前,美国康奈尔大学的研究人员首次提出设想:用人体不同器官的细胞在芯片上构建人体组织,模拟人体环境。自2012年起,美国计划投入7500万美元启动人体器官芯片的研发。如今,美国哈佛大学Wyss研究所,已经使用制作计算机芯片的技术,将活的人体器官细胞植入到芯片上,通过微流控技术芯片,模拟出人体肺泡在呼吸过程中的收缩生理过程。在我国,利用微流控技术开发的器官芯片正在模拟人体的肠营养、肝肠代谢、口腔、卵巢、肾脏等功能。

微流控芯片21世纪最重要的科技前沿领域之一,是通过对微米级通道网络内流体的驱动和控制,把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块厘米尺度的芯片上,最终实现“芯片实验室”。微流控芯片单元结构的尺度,使它有可能同时容纳分子、细胞、仿生的组织,甚至器官,而芯片特殊的流体精准操控体系又能同时捕捉物理、化学和生物数据。

2. 微型人类器官诞生—肝脏芯片

肝脏芯片是一种经过工程改造的模拟生物活性的微型人类器官。美国食品药品监督管理局(FDA)开始测试这种芯片,希望可以作为一种可靠的模型来研究相关疾病。

微型人类器官诞生—肝脏芯片

通过这些实验,FDA可以知道从这些芯片上得到的数据,是否可以替代动物模型得到的数据,比如批准新药时的成瘾性研究和药物毒性研究。这是世界上第一次,政府官方机构采取芯片器官来代替动物模型测试。

尽管这个芯片的设计是最初为了测试药物,研发团队希望能够用它来检测身体器官对营养补充剂以及化妆品的反应。

他们也计划检测食源性病原体对特定器官的影响。FDA食物安全科学家们会先在肝脏芯片中测试,然后再在肾脏、肺、小肠芯片模型中测试。

该芯片是由美国波士顿的生物技术公司Emulate制造。这个微型芯片的支架上养着多种不同的人类肝脏细胞,而且有一种模拟血液的液体流经这个芯片,带来养分,带走废物。Emulate的执行总监Geraldine Hamilton说,他们计划在芯片上加入免疫系统的成分,来看看它们对肝脏代谢是否有影响。

“人们愿意尝试新的技术,我感到很激动。”宾夕法尼亚州匹兹堡大学毒理学家Lawrence Vernetti说到,他也在开发一种新的微型肝脏芯片。动物的代谢和人的代谢在某些方面很不一样,比如巧克力对狗是有毒的。

微流控器官芯片

尽管对于研究食物在人体中毒性来说,动物都是很好的模型,但这并不能保证它们不会产生错误。为了达到长期目标,即减少用于实验的动物,必须开发出一种结果稳定的可靠替代系统就显得尤为重要。

Vernetti对于FDA那么快就开始测试这些芯片感到非常惊讶,但是他觉得这个决定是很及时的。因为这两年,公众的压力越来越大,他们希望实验中可以减少动物的使用。比如,在2013年,欧盟就禁止销售使用动物实验的化妆品。“你不可能不对这些产品进行测试——你只能寻找测试的替代品。

3. 逐步替代动物实验

目前,微流控芯片已被业界公认为当今对哺乳动物细胞及其环境进行精准操控的主流平台。利用微流控芯片技术可构建肿瘤细胞三维共培养模型、肿瘤多器官转移的模型等,实现了在生物体外测试研发中肿瘤药物的实际药效。与此同时,科研人员还研发成功了一种使多种细胞及组织在体外共存的类器官多功能微流控芯片。该芯片可以同时测定药物的吸收、分布、代谢、消除等药代动力学参数、进行药物的抗肿瘤和肝毒性评价,初步具备了试验用动物的功能。

全球药物研发在动物身上测试图

据了解,微流控芯片还可任意更换其中的细胞和组织种类,变身各种“器官”功能用于药物研发中的临床前试验,为最终取代临床前动物试验迈出了重要的一步。

(文章来自: CIMD 科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)



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