通过生物芯片构造人工大脑,哈佛研究员探索疾病新疗法-汶颢股份
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通过生物芯片构造人工大脑,哈佛研究员探索疾病新疗法

哈佛大学科学家在《自然生物技术》(Nature Biotechnology)上发布了他们的最新论文。论文中,他们表示已在聚合物芯片上构造出了复杂的人造大脑,并且正在使用甲基苯丙胺(冰毒)来测试这颗大脑的生理反应。

这项研究由哈佛大学维斯生物工程研究所的本·毛兹、安娜·赫兰和爱德华·菲茨杰拉德共同领导,代表了器官芯片技术的前沿科技。这种模拟器官功能的方法将人细胞培养物整合到微流控芯片Microfluidic chip)中,并观察对新分子和刺激的反应。

研究人员选择使用使用冰毒来作为刺激源,原因在于这种毒品对大脑的影响程度很大,因此,他们试图利用这种新系统揭示冰毒对神经血管不同部位的代谢作用。换句话说,这些器官芯片允许科学家观察人造大脑受到毒品影响的过程,从而进一步研究大脑的功能。这不仅有助于解开常见的成瘾物质对大脑的影响,也可以为诸如毒品等成瘾物质的治疗提供信息,而且有助于开拓新方法,为大脑中的正确目标提供有用的药物。通过进一步的研究,科学家有望开创新的方式,将正确的药物输送到大脑的相应部位。

维斯团队试图复制血脑屏障(blood-brain barrier)的作用。这种半渗透性过滤器的作用就像大脑中的保镖,允许像水和葡萄糖这样有用的物质从血液中流向神经元,同时不让它们接触到具有潜在危害的分子。为了人工模拟这种相互作用,科学家们将一个装满神经细胞的大脑芯片与两个含有内皮细胞、星形细胞和周细胞(这是控制脑屏障的细胞类型)的脑屏障芯片连接起来。

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人工血液和脊髓液流经该系统,把分子引入血脑屏障芯片,之后分子被过滤到与血脑屏障芯片相连的脑芯片中。

这就是冰毒发挥效用的地方。甲基苯丙胺的最大影响之一是增大了血脑屏障的渗透性,使得血脑屏障允许更多的有害分子进入。当1.5毫米的甲基化物流入血脑屏障芯片时,大约10%的剂量穿过屏障进入大脑芯片,并与神经元结合。通过芯片反馈的结果,我们可以模拟药物对神经产生的作用。

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除了药物实验外,芯片也适用于神经病理学研究。研究人员通过把中风、阿尔茨海默症、创伤性脑损伤或其他疾病患者的细胞集成到芯片中,并使用基因编辑的方法准确检测疾病。毛兹,赫兰和菲茨杰拉德分别在特拉维夫大学,KTH皇家理工学院和乌普萨拉大学的实验室开发新的有机芯片平台。“目前,我们在维斯研究所和实验室都有许多涉及系统和概念的研究。” 毛兹说,“比如,在芯片上建立一个包含更多器官的微型人体。最终,我们的目标是在芯片系统上创造个体的单一器官。”换句话说,研究人员将通过创建一个“微型芯片上的人体”来实现个性化医疗。