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芯片上的下一代药物测试

芯片上的下一代药物测试 

   “Body-on-a-chip”装置是一种新的体外人体模型,不需要使用人或动物进行药物发现。该芯片允许在昂贵的临床试验之前重现抗癌药物对人类心脏细胞的副作用。图片来源:Kyoto University iCeMS

京都大学日本综合细胞材料科学研究所(iCeMS)的研究人员设计了一种小型“片上体”装置,可以测试药物对人体细胞的副作用。该装置解决了当前类似微流体装置的一些问题,并为下一代临床前药物测试提供了希望。

用芯片集成的心脏/癌症(iHCC)来测试抗癌药物阿霉素对心脏细胞的毒性。由iCeMS的Ken-ichiro Kamei领导的研究人员发现,虽然该药物本身对心脏细胞没有毒性,但与癌细胞相互作用产生的药物代谢产物却是毒性的。

这个装置比显微镜载玻片还小。它包含六个小室;每两个通道都一系列进气口和阀门连接。气控制流体通过管道的运动。每两个腔室及其各自的微通道系统组成一个试验台。该设备中的三个测试床允许在每个床上引入微小的变化,以同时比较结果。

研究小组首先测试了阿霉素对微孔中单独培养的心脏细胞和肝癌细胞的影响。该药物对癌细胞具有预期的抗癌作用,而不会对心脏细胞造成损害。

然后他们使用iHCC设备进行测试。将心脏细胞置于一个室中,同时将肝癌细胞置于另一个室中。阿霉素被引入细胞培养基中,通过连接两个腔室的微通道闭环系统循环,模拟血液的循环系统。通过这种方式,药物以单向的方式通过两个腔室,形成一个连续的循环。

该团队在癌症和心脏细胞中都发现了毒性迹象。他们假设一种化合物阿霉素,它是阿霉素与癌细胞相互作用的代谢副产物,导致了毒性作用。

为了验证这一点,他们在微孔中分别培养的心脏细胞和肝癌细胞中加入了阿霉素。它对心脏细胞有毒性,但对癌细胞没有毒性。

当在肝癌细胞中单独添加阿霉素时,产生的阿霉素量太小,对心脏细胞没有毒性。研究小组认为,这是因为细胞培养基的数量会稀释代谢物。

相反,当阿霉素被引入iHCC时,代谢产物在通过微通道循环系统时不会被稀释,因为需要更小的细胞培养体积。因此,该药物确实通过其代谢产物对心脏细胞有毒性作用。

该装置需要进一步改进,但研究表明,这种设计理念可以在昂贵的临床试验之前,用于研究抗癌药物对心脏细胞的毒性副作用。这项研究发表在《皇家化学进展学会》杂志上。

更多信息:Ken-ichiro Kamei et al, Integrated heart/cancer on a chip to reproduce the side effects of anti-cancer drugs in vitro, RSC Adv. (2017). DOI: 10.1039/c7ra07716e