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模拟人体的芯片可代替动物进行前临床试验

2017/08/29 来源:生物探索
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导读
8月24日Royal Society of Chemistry Advances上报道日本京都大学的整合细胞材料研究所(iCeMS)设计出了可以测试药物对人类细胞副作用的body-on-a-chip装置。文献中的一张芯片上载有两种连通培养的细胞,比细胞培养物更灵敏,可代替动物进行前临床试验。


日本京都大学的整合细胞材料研究所(iCeMS)设计出了可以测试药物对人类细胞副作用的body-on-a-chip装置。该装置解决了当前类似微流体装置的一些问题,并为下一代临床前药物试验提供了新的理念。这项研究于8月24日发表在Royal Society of Chemistry Advances上。

微流体设备代替动物进行前临床试验

现在,以抗癌剂为首的新医药品开发有很多困难,需要巨额的费用和长期的时间。这些原因中,特别存在问题的是前临床试验。在进行临床试验前的前临床试验中,有实验动物的药效评价、毒性评价试验等。但是,显示出与人类不同反应的情况很多,所以在临床试验中对药效和毒性的预测也很难。另外,使用实验动物,涉及动物保护、伦理上也成为问题。因此新的试验法的开发变得很重要,要能再现药剂与人类的反应,并且可以不进行动物实验。

京都大学的这项研究使用“微流体设备”实现了这种目的。使用这个装置技术,可以模仿人类身体中的血管网和组织。在这个装置上,搭载了与人类来源的癌细胞和正常的心肌细胞,而且组织之间可以连接。

一张芯片上载有两种连通培养的细胞


这种在一个芯片上对心脏/癌症进行检测的装置(iHCC)是用来测试抗癌药物阿霉素(doxorubicin)对心肌细胞的毒性的。由iCeMS的Ken-ichiro Kamei领导的研究人员发现当药物本身没有心脏细胞毒性时,药物的代谢产物与癌细胞的相互作用会导致其有毒性。

该装置比显微镜载玻片还要小一些。它包含六个小室;每两个由一系列的入口和阀门、通道连接。气动泵控制流体在通道中的流动。每两个室和各自的微通道系统构成一个测试床。设备中存在三个测试床,就允许在每个床上引入微小的变化,以便同时比较结果。

这样的体系比细胞培养物更灵敏


研究小组首先用分别培养的心脏细胞和肝癌细胞测试阿霉素的影响。药物对癌细胞具有抗癌作用,没有造成心肌细胞损伤。

然后他们使用iHCC装置来测试。心脏细胞被放置在一个腔室中,肝癌细胞被放置在另一个。阿霉素被引入到细胞培养基中,通过连接两个腔室的微通道闭环系统循环,模仿血液循环系统。这样,药物在通过两个小室的连续循环中单向流动。

该团队发现在癌症细胞和心脏细胞中都出现毒性症状。他们推测阿霉素和癌细胞相互作用的代谢副产物——doxorubicinol,是造成毒性作用的原因。

为了测试这点,他们向分别培养的心脏细胞和肝癌细胞加入doxorubicinol后,发现它对心脏细胞而不是癌症细胞有毒性。

当阿霉素单独添加到肝癌细胞中去时,产生的doxorubicinol量太小,而不会对心肌细胞有毒性。该小组认为,这是因为试验所需量的细胞培养基稀释了代谢产物。

相反,当阿霉素引入iHCC时,流经微通道循环系统造成所需细胞培养基的体积很小,而代谢物不会被稀释。因此,该药通过其代谢产物对心肌细胞具有毒性作用。

这是一种新的设计理念


该装置还需要进一步改进,但这项研究表明,在昂贵的临床试验之前,这种设计理念可以用来研究抗癌药物对心脏细胞的毒性副作用。这是世界上第一例在芯片上连接多种组织,并确认有相互作用的成功例子。这是人类体外药剂模仿的模型,这个“人体模型”新设备的功能在研究中得到证实,有着广阔的前景。

参考资料

Integrated heart/cancer on a chip to reproduce the side effects of anti-cancer drugs in vitro

Next-generation drug testing on chips

抗がん剤の副作用を生体外で再現するデバイス「ボディ・オン・チップ」の開発に成功

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