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美模拟血管:加速纳米药物的开发研究

       2014年1月 21日,《美国国家科学院院刊》(简称PNAS)发表了一篇论文,报告佐治亚理工学院的研究人员开发了一种微流体装置,在该微流控芯片上,科学家可以控制内皮细胞层的渗透率,改变细胞内血液流动的速度,并引入化学物质来消除体内炎症。

 

       微流控芯片技术发展迅速

       美国研究人员开发出一种新型微流控芯片,可模拟血管以加速纳米药物的开发过程,并能在较大的动物模型(如兔子)上更好地预测纳米药物的功效。该体外模型不仅比原始的试验节省更多的时间和金钱,而且还可以减少试验动物的使用。

       微流控芯片(又称芯片实验室)是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。它具有将化学和生物实验室的样品制备、反应、分离、检测等基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力。

       由于在生物、化学、医学等领域的巨大潜力,微流控芯片已经处于一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等多学科交叉的崭新研究领域,其发展令人瞩目。随着纳米技术的进步,继续开放治疗手段的多样化,微流控芯片变得越来越重要——例如应用于活的有机体内平台上,用来筛选潜在的纳米药物。 

       另外,动脉粥样硬化也是一个可以受益于纳米药物的疾病。通过微流控芯片,科学家可以有效地观察到纳米药物一旦进入血液后的生理生化反应。

       美国卓越纳米技术国家中心、国立卫生研究院(NIH)组成的多学科试验小组正致力于微流控芯片在动脉粥样硬化细胞中的研究,其研究人员均来自全球顶尖研究所或科研院校,包括麻省理工学院、西奈山医学院 、阿姆斯特丹医学研究中心、日本九州理工学院、波士顿大学医学院和哈佛医学院等。

 

新型微流控芯片可模拟血管

      研究人员发现,芯片上细胞的渗透性与微血管的渗透性在动脉粥样硬化动物模型中存在极显著的相关性。他们的芯片可以加速纳米药物的开发过程,并能在较大的动物模型(如兔子)上更好地预测纳米药物的功效。该体外模型不仅比原始的试验节省更多的时间和金钱,而且还可以减少试验动物的使用。

      在这项研究中,研究人员开发了一种微流体装置(如图),其上覆盖着一段内皮细胞。 内皮细胞膜位于底部通道的位置,可通过分流程层使纳米颗粒下降到低通道。

      微流控芯片允许精确控制机械和化学环境的活细胞。 在该芯片上,研究人员可以创建生理状态下细胞,控制内皮细胞层的渗透率,改变血液流动的速度,并在细胞中引入化学物质,化学物质的释放可有效地消除体内炎症。

                                                                                微流控芯片|微流控芯片批量加工

                                                                微流控装置:内皮细胞多孔膜生长在两层分离的微流控通道内(3μm孔隙)   

    “这是一个简单的模型:微流控芯片不是简单的细胞培养皿——某些大型动物模型,通过使用合适的微电极,微流控芯片也能进行很好的检测。”佐治亚州理工学院机械工程学院的生物工程系的 Kim教授说。

推广可能需要15年

      Dr.Kim说:“这好比一个的体外胎盘试验,虽然目前它不会完全复制体内的物质,但在不久的将来,这项技术将会更成熟,并且可以拯救动物。日前若干个微流控新药物输送系统已经被美国食品和药物管理局批准;从综合测试到体外试验和获得批准,整个纳米药物微流控平台的推广可能需要15年。”

他还说,“在未来,我们可以使用芯片更快地了解动物模型使用药物后的临床反应,甚至推广于人类模型,相比传统的细胞培养皿研究是做不到的。"

同时他还表示:虽然这微流控芯片比目前的细胞培养实验显示了更好的可预测性,但它不会取代动物研究,它为某些疾病的纳米药物研发提供了一个相对更完整的临床观察图片。