器官芯片：通往新治療方式的道路

器官芯片是一種能夠改善傳統(tǒng)藥物開發(fā)和新療法發(fā)現(xiàn)的創(chuàng)新工具。它們通過重建人體器官的復(fù)雜生理學(xué)，為探索人體不同系統(tǒng)的相互作用提供了深入見解。在本文中，我們將探討這項技術(shù)如何助力發(fā)現(xiàn)新治療方式，并介紹實驗室使用器官芯片的基本要求。

1 推動人體研究的器官芯片

器官芯片可以模擬特定器官功能，為藥物測試提供更真實、更準(zhǔn)確的模型[1]。這種技術(shù)在藥物進(jìn)入臨床試驗前，能更好地預(yù)測其安全性和有效性[2]，并可作為動物試驗、疾病建模和新治療方式的替代品。

2 器官芯片如何改善疾病治療？

盡管制藥行業(yè)面臨著越來越大的壓力，要求找到更好的藥物檢測替代品；動物模型仍然是臨床前研究的金標(biāo)準(zhǔn)。缺乏基于人體的模型會損害從臨床前數(shù)據(jù)到臨床實踐的轉(zhuǎn)換。在這種情況下，器官芯片可以更準(zhǔn)確地預(yù)測藥物的安全性和有效性，提高可重復(fù)性，降低臨床前試驗的總體成本[2]。接下來，我們將討論器官芯片如何幫助開發(fā)新的治療方法。

3 更好地理解疾病生理學(xué)

器官芯片系統(tǒng)使用先進(jìn)的微流體和細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)來模擬和控制生理微環(huán)境。因此，它們比傳統(tǒng)方法更適合研究復(fù)雜的器官和組織生理學(xué)。通過表征復(fù)雜的生理學(xué)，這項技術(shù)可以幫助理解疾病狀態(tài)中發(fā)生的變化，[3]。此外，器官芯片可以闡明罕見疾病的機(jī)制。它還可以使用來源于患者的細(xì)胞，這在個體化的疾病研究模型中具有潛在用途[3]。

4 更可靠的藥理學(xué)研究

器官芯片可能為復(fù)制新藥和治療的藥理學(xué)和臨床反應(yīng)提供一種可靠的方法。通過這種方法，科學(xué)家可以整合多個器官，以提供更真實的臨床反應(yīng)估計。此外，患者來源的細(xì)胞可用于識別每個靶器官的反應(yīng)變異性[3]。

5 毒性評估

器官芯片能夠幫助研究人員預(yù)測藥物對人體的毒性機(jī)制[3]，為毒性評估提供更準(zhǔn)確的方法。

6 評估藥物相互作用

器官芯片可以為建立藥物相互作用預(yù)測中主要的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)參數(shù)提供一種先進(jìn)的工具。例如，他們可以重建人體腸道的微環(huán)境，包括其機(jī)械和流動特性，以研究藥物吸收[3]。

由于其獨特的流動特性，器官芯片可以幫助評估藥物在特定器官中的分布。這種方法在藥物代謝研究中也是有利的，因為傳統(tǒng)方法只評估肝細(xì)胞，而沒有解釋其他細(xì)胞類型如何影響藥物清除[3]。

最后，分別模擬血液和管腔的腎芯片可以提供更好的腎臟清除率建模和預(yù)測[3]。

7 器官芯片技術(shù)的應(yīng)用

l 抗腫瘤治療的評估：在一份報告中，器官芯片實驗證明了（FPR1）/膜聯(lián)蛋白a1（Anxa1）的完整性在經(jīng)歷化療誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡的癌癥細(xì)胞的免疫細(xì)胞遷移和相互作用中的重要性[4]。接受化療的癌癥細(xì)胞釋放Anxa1，這是免疫細(xì)胞的危險信號。器官芯片系統(tǒng)表明，免疫細(xì)胞表達(dá)的FPR1能夠感知垂死腫瘤細(xì)胞釋放的Anxa1，并向它們遷移，進(jìn)行穩(wěn)定的相互作用。

l 抗病毒的藥物的鑒定：隨著疫情的爆發(fā)，快速測試抗病毒的藥物的需求變得明顯。然而，體外系統(tǒng)在代表呼吸器官的生理學(xué)方面并不理想。因此，研究人員開發(fā)了一種模擬支氣管和肺上皮的芯片[5]。

在一項研究中，用萘莫司他聯(lián)合奧司他韋治療的甲型流感感染氣道芯片使奧司他維爾的治療窗口加倍。研究人員認(rèn)為，這種芯片可以幫助在緊急情況下加快治療方法的識別[5]。

8 如何開始使用器官芯片？

正如你所看到的，器官芯片是優(yōu)秀的工具，在研發(fā)中有許多可能的應(yīng)用。

然而，如果你想充分利用你的實驗，你的實驗室必須做好準(zhǔn)備。點成Cellix可以為您提供完整的設(shè)置（芯片上器官套件）或僅提供您需要的組件。

以下是開始使用器官芯片所需要的：

l 微流體芯片——模擬體內(nèi)生理條件和機(jī)械力。

l 微流體泵——用于輸送細(xì)胞培養(yǎng)基。點成Cellix的4U泵。4通道微流體泵是一種精密壓力泵，具有穩(wěn)定準(zhǔn)確的流速，可獨立控制4個不同的通道。它可以有效地管理壓力和流量。

l 流量傳感器——為您提供流量控制反饋，使實驗保持正軌。

l 樣品儲存器和其他配件——容納培養(yǎng)基、輸送藥物或使細(xì)胞懸浮液流過芯片上的器官。

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9 參考文獻(xiàn)

[1] Mittal, R, Woo, FW, Castro, CS, et al. Organ-on-chip models: Implications in drug discovery and clinical applications. J Cell Physiol. 2019; 234: 8352– 8380.

[2] Weinhart, Marie, et al. "3D organ models—Revolution in pharmacological research?." Pharmacological research 139 (2019): 446-451.

[3] Isoherranen, N., Madabushi, R. and Huang, S.-M. (2019), Emerging Role of Organ-on-a-Chip Technologies in Quantitative Clinical Pharmacology Evaluation. Clin Transl Sci, 12: 113-121. 

[4] Mattei, Fabrizio et al. “Oncoimmunology Meets Organs-on-Chip." Frontiers in molecular biosciences vol. 8 627454. 26 Mar. 2021

[5] Si, L., Bai, H., Rodas, M. et al. A human-airway-on-a-chip for the rapid identification of candidate antiviral therapeutics and prophylactics. Nat Biomed Eng 5, 815–829 (2021).