人体器官芯片技术有望加速新药研发
生物探索 · 2018/05/29
人体芯片(human-on-a-chip)或器官芯片(organ-on-a-chip),是时下最受关注的新一代药物筛选测试平台,这个平台除了有能力模拟人体目标器官的三维微观环境之外,还拥有样本量少、精度高、多功能和自动化四大特点,而在未来在

人体芯片(human-on-a-chip)或器官芯片(organ-on-a-chip),是时下最受关注的新一代药物筛选测试平台,这个平台除了有能力模拟人体目标器官的三维微观环境之外,还拥有样本量少、精度高、多功能和自动化四大特点,而在未来在药物筛选领域实现器官芯片与生物分析技术一体化,将会有助于新药的研发。生物分析是生物技术药物的研发早期,美迪西生物分析部门的服务内容涉及药代动力学、药效学、免疫原性和生物等效性等研究方面,为客户提供小分子药物、生物制剂、疫苗和生物标记物的筛选与开发,以及临床前和临床研究。

1、微流控芯片平台

人体芯片是建立在微流控芯片(microfluidics)平台上的一项技术,微流控芯片是一项在微型的管道中操控和处理微量流体(体积通常以微升计或更小)的技术。这项技术是从微体电子学(microelectronics)发展而来的。不同的是,微流控芯片的管道里流的不是电子,而是液体。虽然目前还处在初始研发阶段,但微流控芯片在生物化学领域所带来的好处以及未来的潜力已经得到广泛的认可和接受。相较传统的实验室生物分析技术,微流控有三个最大的优势:小型化、集成化、自动化。

2、人体芯片的概念

以微流控芯片为平台,人体芯片旨在在人体外模拟人体内部环境,这个内部环境可以是某一块组织,某一个器官,甚至多个器官的组合(比如整个人体)。人体芯片的制作方法简单来说就是先在微流控芯片中搭建一个目标组织或器官的三维模型,然后将人体细胞培养在模型上。除了拥有微流控芯片技术的低成本、高效性和可控性等优点,人体芯片还可以更准确地模拟人体内微米级或更小的三维环境,从而增加了药物筛选及测试的准确性和可靠性。 

   到目前为止,已经发表的不同器官的人体芯片研究成果包括以下 8 种:肠道芯片(gut-on-a-chip)、肺部芯片(lung-on-a-chip)、心脏芯片 (heart-on-a-chip)、血管芯片(vessel-on-a-chip)、肿瘤芯片(tumor-on-achip)、胎盘芯片(placenta-on-a-chip)、人眼芯片(eye-on-a-chip)和人体芯片(human-on-a-chip)。

3、人体芯片的应用前景

人体芯片技术具有先天优势,因此拥有不可小觑的市场前景,到目前为止,已经有多个基于大学实验室的初创公司成立。近日,总部位于美国波士顿的Emulate公司与阿斯利康的创新药物和早期开发(IMED)生物技术部达成协议,将其器官芯片(Organs-on-Chips)技术结合到阿斯利康的IMED药物安全实验室中。阿斯利康是首家与Emulate合作,将器官芯片技术整合进内部实验室的医药公司。自2013年起,阿斯利康就已经与Emulate在器官芯片技术方面进行合作。这两家公司曾于2018年3月在毒理学会(Society of Toxicology)年会上公布了一些近期工作。Emulate表示,与阿斯利康达成的协议将加速器官芯片技术在医药公司环境中的测试和开发。

4、人体芯片的未来

人体芯片有着广阔的发展和应用前景,同时也面临着技术和市场化的挑战,具体如下;

(1)如何利用人体胚胎干细胞(embryonic cells)或者诱导性多功能干细胞(iPS cells)建立一个可以持续使用的体外模型。

(2)在现有的人体模型中,细胞大多生长在合成材料构建的三维模型中,这些合成材料对细胞的刺激程度不如人体内环境所带来的刺激程度,还会影响细胞的生长。比如,某些细胞所需的生长物质会被芯片材料所吸收,。因此,如何进一步提高芯片材料的生物适应性    也是一大难题。

(3)现有的芯片材料虽然适合实验室里的芯片开发,却不适合工厂里的大规模芯片生产。

(4)由于该技术的全新性,人体芯片的下游数据分析还很难做到与现有的生物分析技术无缝对接。

(5)人体芯片的发展需要在尽可能还原人体的复杂度和保持实际操作的简便性之间找到一个平衡点。过低的人体还原度或者过高的操作需求都会限制人体芯片在市场上的推广。


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