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组织与器官仿生芯片

微流控芯片内单元构件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,而芯片特殊的操控体系又使它能同时测量物理量、化学量和生物量,因此,微流控芯片已被业界公认为当今哺乳动物细胞及其微环境进行精准操控的主流平台,而细胞是生命存在的基础。

微流控

21世纪第一个十年的后期,哈佛大学Ingber等开展了一系列芯片器官的研究工作,并于2010年发表了关于芯片肺的代表性的文章。2011年9月16日,美国总统奥巴马亲自宣布启动由NIH,FDA和国防部牵头,104亿美金的基于芯片器官的“微生物系统研究项目”,“以确保美国未来20年在新药发现领域的全球领先地位”,并认为,“仿生微流控芯片”能够以令人难以想象的幅度降低新药发现的成本和周期,给新药开发带来一次革命。项目自2012年启动,经费在此后的执行过程中被不断追加,哈佛、MIT、UC Berkley、Cornell等十余个名校团队承担了其中的主要工作。

差不多在同一个时间段,中国科学院大连化学物理研究所的微流控芯片团队先后在微流控芯片上完成了一系列的细胞培养,多种细胞的共培养和三维共培养,免软骨组织培养,以及带有肝微粒体的药物代谢等工作,进而于2010年10月的香山会议上正式提出并启动微流控芯片仿生组织——器官的研究。

组织—器官芯片是继细胞芯片之后一种更接近仿生体系的模式。组织—器官芯片的基本思想是设计一种结构,可包含人体细胞、组织、血液、脉管,组织—组织界面以及活器官的微环境,或者说,在一块数平方厘米的芯片上模拟一个活体的行为,并研究活体中整体和局部的种种关系,验证以至发现生物体中液体的种种流动状态和行为。

微流控组织—器官芯片可被看成是一个由微流控芯片组建的仿生实验室,它提供了一种在相对简单的生物体体外对极其复杂的生物体体内开展模拟研究的途径。如果我们队实际问题的把握足够准确,而物理抽象过程又尽可能合理的话,对于类似于药物毒性,个性治疗这样的困惑现代制药工业和现代临床医学的瓶颈问题,芯片上的仿生实验无异于一种天赐良机。“实际问题物理化,物理模型数学化”,以偏微分方程为代表的数学模拟曾经在解决一系列重大科学技术问题上作出了不可磨灭的贡献,类似于仿生模拟这样的专一性芯片实验室的出现,实际上可能催生另一种重要的研究模式,也即:“实际问题物理化,物理模型芯片化”。

从物理模型确定后,首先要做的是在芯片上构建生理模型并对它进行表征。以Ingber等的以芯片肺为例,从人的气孔中取出细胞,置于膜的前部培养,而将人肺血管内皮细胞置于同一膜的背部培养,其间有介质流过,由此构建了一个组织—组织界面。此外,他们又设计了一个由弹性橡胶做成的侧孔,施加了循环的负压,是处于中间的膜及其两侧的细胞按人呼吸的频率不断舒张和收缩。这样,他们就把两种或两种以上的组织放在一起,实际上是创造了一个生理环境,使这些细胞能显示出其在人体内相似的功能,因此具备了人体器官的基本特征。

当然,所有的器官都不可能脱离身体的其他部位而孤立存在,因此最终我们必需考虑人体这个整体。大连微流控芯片团队的另一极,大连理工大学药学院罗勇等构建一个有高集成度的三维组织—器官微流控芯片系统,用于药物研发中的临床前试验。

      这一模型的初步实验结果表明,多组织、器官集成的微流控芯片具有部分代替小白鼠功能的潜在可能,是开展微流控芯片药学研究的重要平台,特别是,对于诸如抗辐射试剂和抗病菌试剂这一类通常难以在生物实体上开展试验的药剂,芯片器官的出现更无疑是一个天赐良机。



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