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器官芯片实现自动化药物筛选

如何有效地筛选药物一直是制药业和临床治疗的难题。近日,哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang团队研发出一种新型的带有多功能嵌入式传感器的器官芯片,首次通过微型显微镜、生物物理传感器及电化学免疫传感器等融合,实现了对药物作用的自动化监测和筛选,例如抗癌药物对于肝癌组织的疗效以及同样药物对于正常心肌组织的副作用。

器官芯片自动化药物筛选

由于与人体功能相关性相对较差,传统基于二维静态细胞培养以及动物实验筛选药物的方法成功率很低,通常不到10%。此外病人之间的个体差异直接导致药物作用的不均一性和治疗方案的不准确性,即同一种药物对于不同病人所产生的效果往往会不同,甚至相差极大。为了解决这些问题,精准医疗的概念近期得以提出。精准医疗的模式是以每一个人的生活环境、生活方式以及基因等因素作为依据,来定制最优的医疗方案。

 

想要达到药物合成和使用的精准性,传统的药物筛选方法显然无法满足,器官芯片这一新兴的技术近期逐渐被科学家们采用。器官芯片发展于21世纪早期,与传统二维细胞的培养不同,器官芯片普遍使用具有结构性的微型三维人体细胞体外培养,达到与人体内器官或组织结构的高度相似性,进而在体外模拟其功能。功能上的提升也自然提高了这些体外器官模型对药物筛选的精确性,这些不同的器官芯片以特定的形式串联之后,能够最大限度地模拟人体血液循环,贯通不同器官的通路,从而取得对人体药物有效性、药物代谢动力学和药效学等多种参数的预测。

 

真正能实现器官芯片技术对各项参数的监测,从而在未来药物筛选领域得到广泛应用的则是器官芯片与生物分析技术一体化。正如病人平时会定期做心率、血压、抽血化验、医学成像等检查一样,器官芯片的运作及对药物的反应亦得利于各项分析技术的整合。Yu Shrike Zhang团队开发的新型整合多种嵌入式传感器的器官芯片,首次通过微型显微镜、生物物理传感器以及电化学免疫传感器等融合,实现了对药物作用长期自动化的监测与筛选。基于这套带有传感器的器官芯片平台,抗癌药物对于人源肝癌组织的杀伤性以及对正常心肌组织的副作用得以被实时监控,这些功能在既有器官芯片系统中是无法实现的。这一成果近期发表在Proceedings of the National Academy of Sciences USA 上。

器官芯片技术

该论文作者为:Zhang YS, Aleman J, Shin SR, Kilic T, Kim D, Shaegh SAM, Massa S, Riahi R, Chae S, Hu N, Avci H, Zhang W, Silvestri A, Manbohi A, Polini A, Calzone G, Shaikh N, Sanati A, Alerasool, P, Bhise N, Budina E, Pourmand A, Skardal A, Shupe T, Bishop C, Dokmeci MR, Atala A, Khademhosseini A

文献:

Multi-Sensor-Integrated Organs-on-Chips Platform for Automated and Continual in situ Monitoring of Organoid Behaviors.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA2017114, E2293–E2302, DOI: 10.1073/pnas.1612906114

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