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人体器官芯片手艺是近年来快速生长的一项新兴前沿交织科学〖xue〗手艺,对生物产业生长具有主要战略意义。2016 年,该手艺被达沃斯天下经济论坛列为 “十大新兴手艺” 之一,2015 年Nature称器官芯片是未来可能替换动物试验的革命性手艺。

人体器官芯片手艺是指在芯片上构建器官心理微系统,通常以微流控芯片为焦点,将生物学、质料学以及工程学知知趣连系,在体外模拟包罗活体细胞、生物流体、机械力刺激等要素的组织器官微环境。该手艺在生命科学研究、疾病模拟、新药研发、个性化医疗等领域具有普遍【bian】应用远景。

克日,Brigham and Women's Hospital(布莱根妇女医院)副生物工程师‘shi’、哈佛大学医学院助理教授 Y Shrike Zhang 接受【shou】了外媒的采访,他在采访中提到,人体器官芯片手艺正在高速生长 chang[,未{wei}来五到十年内,器官芯片将会获得普遍应用。

Y Shrike Zhang 在生物医学工程领域造诣颇深(shen),他的研究偏向是基于多尺度生物质料和生物手艺开发功效性组织和器官模子及其在转化治疗中的应用。他在生物医学《xue》和医疗装备领域履历厚实,包罗器官芯片、生物传感和成像,3D 生物打印、生物质料、组织工程、药物递送。

图 | Y Shrike Zhang 博士(泉源:哈佛大学官网)

他先容说:“许多制药公司都最先‘xian’思量以及最先测试器官芯片的效果,甚至有一些协会正在将研究职员与制药公司群集在一起,真正讨论整个器官芯片领域的应用场景、改善空间等等,推进该领域的生长。”

他以为,器官芯片在推向产业应用的历程中,仍有 3 大问题待解,即 2D 向 3D 模子的转变、尺度化、以及自动化。

“我以为构建多器官芯片系统完全可能“neng”实现,例如“ru”,心脏芯片、肝脏芯片、肿瘤芯片。若是在肿瘤芯片上测试一种抗「kang」肿瘤候选药,不仅可以领会这种候选药若何对肿瘤施展疗效,同时可以领会这种候选药怎样对心脏或者肝脏发生副作用。” 此前,他曾实验开发与传感器集成的多器官芯片平台。

器「qi」官芯片‘pian’与《yu》传感器集成

“药物开发历程中存在许多问题,以传统模子为例“li”,无论是 2D 模子照样动物模子,药物在模子内里的测试效果通常与人体内的效果【guo】差异。要害的缘故原由是人体组织器官更为庞大,与 2D 模子和动物模子差距很大。现在,新的人体组织器官体外模子比以往任何时刻都显得主要。”

“药物从动物{wu}模子转「zhuan」化到人体试验时,经常效果会不尽相同,绝大多数甚至以失败了结,这严重影响了难治疾病疗法的开发。”Y Shrike Zhang 说。

正是看到新药研发的转化难题,Y Shrike Zhang 最先专注于开发多《duo》种器官芯片手艺。

“由于现在许多种器官芯片仍然需要大量人工操作测试化合物的效果。”Y Shrike Zhang 决议改变这种状态,于是将多个传感器与器官芯片集成在一起。

2021 年 4 月,Y. Shrike Zhang 团队在Nature上在线揭晓了一项关于器‘qi’官芯片的电化学生物传感器集成研究。

项研究的突破之处在于集成传感器“qi”可以实时检测动态指标,而无需离体检测,实时动态检测将是器官芯片未来一个主要生长偏向。

(泉源:Nature)

在研究中,他‘ta’们制备了基于电化学的生物传感器,并将该传感器与微流控芯片集成在一起,以整合微电极功效化、生物标志物检测和传感器再生三大功效。

Y Shrike Zhang 弥补道,“测试化合物效果是一个侵入性的历程,若是手动举行,必须打开装备,然后采样。但我们需〖xu〗要真正领会模子若何延续长时间与药物分子或化合物相互作用。以是我们一直在实验将传感器装备集成在器官芯片上,这样我们就能够延续对芯片的差异生物、物理以及《ji》化学参数举行原位、非侵入检测。”

据先容,该平台具有很高的通用性,可以在线检测大多数可溶生物标志物,与许多现有的器官芯片装置毗邻在一起,还能多路复用同时检测多个生物符号物。

从 2D 模子到【dao】 3D 模子

Y Shrike Zhang 实验室的另一项事情是开发三维结构器官芯片,其中包罗在 5 月份报道的肺芯片。Y Shrike Zhang 以为某些装备虽然看起来像是 3D 器官芯片,实则否则。

“器官芯片系统通常是脱离开的,这就代表着差其余流体层或细胞层,并为我们提供体内流体的三维结构,然则《ze》在局部器官处可能只能提供二维结构。好比说,若是要构建上皮细胞或者内皮细胞等界限组织(interface tissues ),传统的器官芯片可以完成。然则,机体有许多 3D 组织,若何基于这些芯片模拟这些组织是一个问题。”

左图 | 图像显示呼吸时肺泡上皮细胞的内〖nei〗壁,其中白色是指毗邻卵白表达 (ZO-1),比例尺为 50 um;右图 | 图像显示肺泡细胞上的血管主要素转化酶 2 (ACE2) 表达,颜色为红色,比例尺为 50 um。(泉源:布(bu)莱根妇女医院)

例如,通过将 3D “脚手《shou》架” 与芯片相连系,他的实验室开发出了一种器官芯片,该装备可以真正让肺 “呼吸”。这『zhe』在思量人类肺末梢的生物学特征很有益,但其形状和运动无法在 2D 器官芯片中准确模拟。

“以是现在开发出了三维器官模子,该模子能够在细胞微环境中缔造一种与体内基真相似的心理环境。”Y Shrike Zhang 说。

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要‘yao’害在于尺度化

器官芯片领域已经取得了一些突破性希望,不外 Y Shrike Zhang 也示意整个器官芯片行业仍然处于早期生长阶段,未来另有一段对照长的路要走。

“每个实验室都有自己的考量、质料、细胞类型或想要天生的结构。若是只【zhi】从学术研究的角度来看,这完全没问题。但若是是制药公司使用这些器官芯片,药企并不体贴庞洪水平,只关注是否好用。”Y Shrike Zhang 说。

(泉源:japaneseclass)

他进一步指出,器官芯片手艺要获得普遍应用,需要提高尺度化水平,现在该领域已经迈出了第一步。

“现在许多科研职员正在解决这一问题,例如,在美国,我们有器官芯片测试中央,该实验室从差异研究小组或实验室网络器官芯片,然后统一测试,以此检查其他实验室应用的相关划定是否可以中央重现。这实在就是实现『xian』器官芯片手艺尺度化的主要一步。”

提高自动化能力

器官芯片行业商业化的另一个主要挑战是能否重现,自动化是解决这一挑战的要害要素。

“现在,许多器官芯片都是通过手动或半手动方式开发和操作。只管器官芯片更有可能在后期用于【yu】筛选药物剂型,但仍然需要数十或数百次测试。因此,若是都是接纳手动操作和分类的话,那么器官芯片的使用也就存在一定的局限性。”Y Shrike Zhang 说。

Y Shrike Zhang 示意,这样问题就酿成了若何真正实现装备的自动化 ―― 不仅要简化操〖cao〗作,还能简化读数。

(泉源:lifespan)

若何实现自动【dong】化?

Y Shrike Zhang 称,若是大型制药公司选择使用器官芯片,自动化水平十分要害。若是你想让它为这些公司服务,那么理想情形下你必须使器官芯片装备与他们已经使用了 15 年的现有基础设施兼容。”

参考资料:

http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2017/12/20171202.htm

https://www.abologist.com/multi-organs-on-chips-models-page-61

多器官微流控芯片手艺及其应用 - 生物研究专区 - 生物谷

https://www.x-mol.com/news/151

https://www.x-mol.com/news/151

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