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“器官芯片”,大势所趋

研究人员正在研发塑料芯片上的人类器官微缩模型,他们推崇这项襁褓中的技术,认为它可以作为动物模型的替代品。虽然这个目标依然很遥远,但随着大型医药公司开始在药物研发中使用这些体外系统,该技术越来越受到关注。

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“我们对来自制药公司的关注感到非常兴奋,”Paul Vulto说,他是荷兰莱顿Mimetas生物技术公司的创始人之一,“这比我预料的快了许多。”他的公司目前在与三家医药巨头组成的联合企业合作,后者用Mimetas的“肾脏芯片”来测试药物。上周在美国波士顿举行的全球器官芯片会议上,许多医药和生物技术公司以及学术界研究人员展示了微型器官模型的最新进展,Mimetas也是其中之一。这些微型器官能以与人类器官(如心脏或肝脏)相同的方式对药物或疾病做出反应。


“这项技术发展如此之快,让我们非常惊讶,”新泽西州Johnson & Johnson公司科学发现部门的全球主管Dashyant Dhanak说。这家公司上月宣布它将使用来自美国Emulate生物技术公司的血栓芯片模型,来检测临床试验期药物或已上市药物是否会造成血液凝固。


器官芯片的支持者宣称,和长在培养皿中的平坦薄层细胞相比较,芯片是更接近人体实际的模型,也比动物模型对药物的研发和检验更有用。譬如,肺部芯片会由一层细胞组成,一面浸浴在类似于血液的培养液中,另一面则暴露在空气中,并与一台拉伸、压缩这些细胞的机器相连接以模仿呼吸运动。


然而,在一些企业研发模拟病变器官的芯片的同时,大多数企业仍然在检测药物能否在芯片上产生在健康人体组织上相同的效果。来自奥兰多中佛罗里达大学的生物工程学家James Hickman告诉我们,无论是否使用芯片,任何一种新药必须先在健康人体上测验以保证安全性。如果芯片真与人体组织对药物有相同反应,使用体外的器官可能有助于跳过或缩短人体实验。


芯片还可以帮助公司确定既有效又安全的药物剂量,阿斯利康公司在马萨诸塞州沃尔瑟姆的药物安全科学家Matthew Wagoner称。如果监管机构接受这类数据,企业就不需要大量临床试验测试不同剂量下药物的效果了。


另一些研究人员渴望能用芯片阐明动物模型和人类之间的区别。瑞士罗氏公司体外系统安全研究部门总管Adrian Roth说,当发现罗氏的一种试验性药物能使鼠产生肝脏肿瘤时,这样的比较尤为有用。罗氏用来自人和鼠肝脏的体外模型证明,造成肝部肿瘤的机制是啮齿类独有的,在人类身上的研究不应该因此被阻止。


但一些用户担心大肆宣传会言过其实。Roth指出,危险在于如果芯片辜负了过高的期望,企业会抛弃这项技术,利用基因组学进行个性化医疗已经经历过这样的命运。“作为一家医药公司,你必须非常实际,”他说,不能指望芯片能立即取代动物模型。


持观望态度是很有理由的。波士顿会议上,许多做报告的参会者通过展示他们的器官模型能对药物做出和人类器官相同的反应,来证明模型是有效的。譬如,一个心脏模型可能通过测验表明它可以在肾上腺素的作用下加速跳动。但这不代表这个芯片已经具备器官全部功能,芯片要想再现由复杂信号调控的一些功能是非常困难的,比如来自内分泌系统或免疫系统的信号。


甚至,在多个器官芯片相连组成的系统上测试一种已知的药物也很难确认其有效性,Roth补充说,因为研究人员很可能不知道应该要观察什么。比如,止痛药对乙酰氨基酚对肝脏的潜在毒性效应已经被研究得很透彻了,但至于其他器官对这种药物如何反应,我们知道得还很少。


尽管如此,不少医药公司还是认可了在器官芯片的应用和改进方面的投资效果。 “我们会全力以赴,”Michelle Browner说,她是Johnson & Johnson公司创新平台的高级主管。她认为,只有这样,这项技术才能以和公司需要相符的方式发展。


政府监管机构对此也很感兴趣。这个秋天,位于马里兰州贝塞斯达市的美国国立转化科学促进中心(NCATS)将会召集学术界的科学家、医药公司和监管机构,共同讨论芯片的使用问题。NCATS还为11支研究团队提供资金支持,其中每一支团队分别在研发一种不同的器官或系统,它们最终将会被连在一起,构成完整的“全身芯片”。


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