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前沿科技:器官芯片

已有 1858 次阅读 2019-11-28 14:48 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记| 器官芯片, 林炳承, 罗勇, 刘婷姣, 陆瑶


​什么是微流控器官芯片?


微流控器官芯片简称为器官芯片。器官芯片是一种多通道,包含有可连续灌流腔室的三维细胞培养装置。器官芯片由两大部分组成,一是本体,由相应的细胞按实体器官中的比例和顺序搭建;二是微环境,包括器官芯片周边的其它细胞,分泌物和物理力。器官芯片是人工器官的一种类型。


器官芯片是芯片实验室技术的发展和细胞生物学紧密结合的结果,这种结合使人们有可能在特定器官的背景下研究人类生理学过程,并因此引入了一种新的体外多细胞人类有机体模型。


微流控器官芯片的研究背景


器官芯片的原始推动起于制药产业。一个原创新药一般要耗费十几亿美元,耗时十几年,效率极低,一个重要的原因就是动物实验存在的种属差异。动物试验是现今新药开发的一个必需环节,但其存在成本过高,周期偏长,伦理等诸多问题。特别在许多情况下,当候选药物进入临床试验时,往往发现在动物试验中看似很有希望的对像并不总是能对人类产生相同的结果,甚至显示了严重的毒副作用,并因此造成前期研究的大量心血和巨额资金毁于一旦,付之东流。


人们或许会说,开展动物试验是类似于美国或中国的食品和药品管理局(FDA或CFDA)这样的监管机构对制药企业的要求,是的,但这只是因为现阶段这些监管机构拿不出更好的办法。


因此,制药业需要更多的预测工具,以使候选药物在更早阶段、更少消耗时失败。而微流控器官芯片就被认为是替代,至少是部分替代,动物试验一种极有可能的选择。


微流控器官芯片的发展历史


早在2000年代前期,康奈尔大学的Mike Shuler等首次提出用人体不同器官的细胞在芯片上构建人体组织,模拟人体环境的设想。2010年,哈佛大学Donald Ingber等构建芯片肺的工作在Science上发表,产生了显著的影响,具有代表性。在这些工作基础上,2011年9月16日,时任美国总统奥巴马亲自宣布启动由NIH,FDA和国防部牵头,第一期总额为1.4亿美金的基于芯片器官的“微生理系统”(microphysiological system,MPS system),“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年正式启动,经费在此后的执行过程中被不断追加,一批核心高校参与了项目的主要工作,其中包括哈佛大学的肺芯片,威斯康星大学的脑芯片,加州大学伯克利分校的心芯片,霍普金斯大学的肠芯片,匹兹堡大学的肝芯片,华盛顿大学的肾芯片,杜克大学的血管芯片和哥伦比亚大学的皮肤芯片等。


2007-2009年期间,中国科学院大连化学物理研究所的微流控芯片团队完成一系列的细胞培养,多种细胞的共培养和三维细胞共培养工作,课题组关于细胞水平高通量和高内涵药物筛选的研究,细胞水平药物代谢研究,以及模式生物水平高通量药物筛选研究的工作,在一年多时间内连续三次被Lab on Chip杂志作为封面文章刊登,引起国际微流控芯片和药物筛选领域的广泛关注。2009-2010年,他们又先后完成兔软骨组织培养,以及带有肝微粒体的药物代谢等工作;2010年10月北京香山会议上,林炳承提出并正式启动微流控芯片仿生组织-器官的研究;2011年,大连理工大学罗勇微流控芯片药学研究团队成立,开始器官芯片研究;2012年,大连医科大学刘婷姣团队开始微流控肿瘤芯片研究;2013年,科技部新药重大专项课题“基于微流控芯片的新药研究开发关键技术”启动,大连团队的器官芯片研究正式纳入国家重大计划。在差不多同一个时期,中科院纳米中心蒋兴宇团队也开始在血管芯片等方面开展了很好的工作。


微流控器官芯片的工作原理


这儿,以肺芯片为例加以说明,见下图。


典型的肺芯片设计


制作一块芯片,在芯片的槽道中设置三个并列的流体通道,两边的通道通真空,中间的用于植入细胞。在中间通道的正中间加一层有通透性的生物膜,膜上布满小孔。用细胞外基质的分子包裹薄膜,在这张薄膜的上面铺满一层肺细胞,细胞从肺的气囊,肺泡中提取,薄膜的另一面铺满人肺毛细血管细胞。让空气在薄膜上面流通,培养基则在下面流动。由此可以产生组织,因为组织是由连生细胞及与之结合的细胞间物质集合而成一种构造。两个或两个以上的组织聚集在一起,会形成不同的组织-组织界面,有可能产生功能。多种不同组织联合构成具有功能的结构,可以被认为是器官。为了产生功能,设计了一个中空的侧室,用循环吸力使两侧真空通道收缩,同时带动中间的通道一起伸展和放松,并让伸展和放松的程度和频率与人细胞在肺中呼吸时所做的类似,由此实现了培养皿等不可能实现的呼吸运动功能,这就模拟了人体肺泡在呼吸过程中收缩的生理过程。在此基础上,还可模拟肺部感染的时候白细胞抵御细菌入侵的过程。在铺有肺细胞的上层通道释放病原菌,然后在下层通道里加入人体白细胞。当白细胞感觉到病原菌侵入时,它们会从血液中进入肺部,吞噬病原菌。如果要使整个免疫过程可视化,也可以对白细胞和病原菌进行标记,于是就可以在显微镜下看到白细胞在“血管”中穿梭,进而穿过薄膜上的小孔,吞噬侵染肺细胞中被绿色标记的病原菌。


用类似的思想,可以开发出不同的器官芯片,用以深入了解药品、化学物质、食物甚至是化妆品对人体的影响。


微流控器官芯片中的微环境


前已提及,微环境指的是器官周边的细胞,周边的各种因子,比如小肽,和周边的物理力,在芯片器官基本确定之后,对微环境的精准操控是器官芯片构建成功与否的关键。


在上述肺芯片的案例中,有两点值得关注。一是细胞从肺的气囊,肺泡和肺毛细血管中提取,分置于薄膜两侧,配有空气和培养基流动,形成肺的核心结构;二是用循环吸力使整个结构产生呼吸运动,实现肺的关键功能。换句话说,毛细血管细胞、气囊细胞及其周边分子,以及膜所提供的柔韧、能够伸展和弯曲的特性,连同流动所产生的各种物理力等所有这些因素结合所产生的生理微环境,实际上可以创造一种组织-组织界面,对细胞功能的实现产生有力的影响,甚至有可能诱导这些细胞表现出非常类似于身体特定器官的功能。这样一种观点具有普适性。因为实际上其他芯片器官也会具备类似的特征,比如芯片肝,芯片肠等等。对肠而言,当然谈不上呼吸运动,但是相应的微环境能使我们得到蠕动这样一种关键特征,并能因此组织成手指状的交叉或突起的绒毛,增加肠道吸收的表面积,排出粘液,实现吸收功能。长期以来,人们没能充分理解张力,压力和剪切力等这些物理力在微环境中的重要性,但是事实是,正是这些物理力有力地促成了器官功能的显现。因此,在分子层面,细胞层面,或是组织和器官层面,不可能只考虑化学因素,而把各种物理因素排斥在外。


最近Cell杂志报道,日本京都大学人诱导性多能干细胞(hiPSC)研究与应用中心的Koji Eto及其团队发现,血流的剪切应力是血小板生成过程的一个关键的物理因素,而特别是当这种剪切应力形成湍流环境时,利用人诱导性多能干细胞可大规模产生多达1000亿个血小板。这也是理解微流控器官芯片中力学微环境影响的一个案例。


类器官微流控芯片


类器官(Organoid)是用干细胞制造出来的微型器官,或称迷你器官,它们是在体外产生的三维的微型和简化版的器官,具有器官的某些功能。类器官来源于组织、胚胎干细胞或诱导的多能干细胞中的一种或几种细胞,具有自我更新和分化能力,可以在三维培养中自我组织。自2010年代初以来,类器官的生长技术得到了迅速的改进,研究人员已经能利用人的胚胎干细胞和其他干细胞培育多种类器官,包括肝、肾、胰腺、食管、肺、胃、肠、大脑、膀胱等,其中以类肝脏最为成功。类器官已被认为是2013年最大的科学进步之一,也已被用于在实验室研究疾病发生和治疗。


把上述类器官置于微流控芯片上,使其受到可控的微量流体的作用,即可成为所说的类器官微流控芯片,Science杂志专门刊登一篇review论文,题目即为organoid-on-a-chip。类器官微流控芯片是器官芯片发展的最前沿之一。


微流控器官芯片的产业化


美国政府从2012年正式提出以器官芯片为基础的“微生理系统”计划,由DARPA和NIH等分别在5年的时间里提供了1.4亿美元和7600万美元的资金从国家层面来支持这项技术的发展。与此同时,自2012年以来,科技开发商已向投资者筹集了逾8000万美元用于同样的目的。中国政府也在2012年前后通过科学技术部做出了安排,并从2016年起,支持力度显著增加。


器官芯片的产业化尚在起步阶段,2016年器官芯片设备和服务产品的总销售额还不足1000万美元。现有的公司大都是从大学实验室分拆出来的,目前正在通过与工业界的合作升级他们的芯片器官模型。


2010年代的前期,零星的器官芯片公司开始出现。Oxford的CN Bio公司用装有12个微型肝脏的芯片做药物的毒性试验, 已经发现做同样的试验,器官芯片所需的成本要较动物试验大幅度下降。2015年前后,哈佛Wyss研究所组建了一家专门研究人体器官芯片的公司——Emulate Inc,并率先推出了器官芯片技术。Emulate拥有哈佛大学在全球范围内的独家授权,可为该技术及相关系统提供强大而广泛的知识产权组合。以器官芯片技术为基础,该公司提出一种由器官芯片、仪器和软件组成的人体仿真系统,可为人体内部的生理运作提供了高仿真窗口。这样一种系统可为研究人员提供预测人类对疾病、药物、化学物质和食物产生的反应,比细胞培养或动物测试方法具有更高的精确度和控制能力,也可为“重现真实人体生物环境”设立新的标准,用于推进相关产品的创新设计和安全保障。网上已有Emulate公司和美国FDA合作开展研究的报道。这家公司创立之初便获得DARPA的3700万美元的拨款,以及1200万美元的A轮融资。2018年7月,他们又获得3600万美元的C轮募资,由风险投资公司Founders Fund领投。


除了Emulate之外,也已有一些国家成立了一些小型公司开始类似的操作,包括中国在内,但目前看来,发展的套路和进程还是以Emulate为好。


一般认为,从2017年到2022年,市场可能以38-57%的复合年增长率增长,到2022年达到6000万至1.17亿美元。当然,这只是第一步。毫无疑问,器官芯片技术在中长期内可望成为一个数十亿美元的市场,因为它们每年都可能帮助制药和化妆品等行业节省大量的研发费用。伦理和道德问题也可能是这个新市场的核心,全世界每年都有几亿只动物被用于实验室实验,而这些实验很有可能被一些微流控技术所取代。业界和政府机构对一些获得大量资金支持的器官芯片技术开发商寄予了巨大的期望。政府的支持在不断增加,欧莱雅、辉瑞、罗氏和赛诺菲等公司已经与器官芯片开发商建立了合作关系,相信这项技术将改变现有和正在开发的产品的功效和毒理学测试前景,而随着大型制药和化妆品公司开始使用器官芯片,这些投资很可能会继续下去。


器官芯片技术仍面临许多技术挑战。首先,它必须证明能够成功地将多个器官连接起来,准确地模拟对药物的全身反应。有几家公司正在研发多器官模型,但整体来说,“人体芯片”还远没有成为现实。第二,为满足不同的需求,器官芯片公司要通过不同类型的器官、设备类型和流程管理实现产品的多样化。可以考虑一种基于药物研发不同阶段对关键标准进行技术细分,并由此开展系列产品的批量生产。根据市场需求的实际情况,大幅度提升产出水平。第三,要考虑设计的重要性,鉴于器官芯片对微流控技术的依赖性,微流控公司可和更多初创企业建立合作关系,甚至,可为器官芯片提出量身定做的方法,以显示它们在这方面的巨大潜力。最后,要及时考虑标准化及与现有设备的兼容性。


总而言之,产业化的最终目标是建立一个由器官芯片、仪器和软件组成的人体仿真系统,为人体内部的生理过程提供高仿真窗口和技术平台。这个技术平台可为研究人员提供预测人类对疾病、药物、化学物质和食物产生的反应,比培养皿细胞培养或动物测试方法具有更高的精确度和控制能力。波及到药物开发、农业、化妆品、食品和化学消费品等广泛领域应用对象的器官芯片领域,将为真正重现真实人体生物环境提供希望,设立标准。


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器官芯片

作者:林炳承,罗勇,刘婷姣,陆瑶

责任编辑:杨震,刘冉

北京:科学出版社,2019.11

ISBN:978-7-03-062093-4


这是一本关于器官芯片的专著。全书共分14章,第1、2章分别介绍微流控芯片和微流控器官芯片,第3章为器官芯片的检测系统,从第4章到第13章,逐一介绍各种不同器官的芯片形式以及它们的组合,第14章则专门阐述以3D生物打印为基础构建的器官芯片。全书以作者实验室二十年在微流控芯片领域,特别是近十年在微流控器官芯片领域的积累为主轴,结合同期国内外其他实验室的工作,对器官芯片这一极为重要的新兴领域作了力所能及的介绍,尤其是包含了作者们在先行的研究实践中所得到的种种感悟和体会,逻辑严密,行文流畅,可读感很强。


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