三维“器官芯片”:有助于加速寻找新的疾病疗法
2018/11/03
人类“器官芯片(organs-on-chips)”正在引领一场药品安全测试的革命。这些装置利用人体细胞对器官和组织的结构和功能进行建模。

剑桥大学领导的研究人员报道说,他们的设备可以被修改生成多种类型的器官,如肝脏芯片或心脏芯片,并最终导致一个芯片身体,以模拟各种治疗对整个身体的影响。

研究以“Transistor in a tube: A route to three-dimensional”为题发表在《Science Advances》杂志。


DOI: 10.1126/sciadv.aat4253

生物学研究过去是(现在仍然是)在培养皿中进行。在培养皿中,特定类型的细胞生长在平坦的表面。尽管自上世纪50年代以来,包括小儿麻痹症疫苗在内的许多医学进步都起源于培养皿,但这些二维环境并不能准确地代表人体细胞固有的三维环境,实际上可能导致误导信息和药物在临床试验中的失败。


图片来源:Roisin Owens

而现在,3-D细胞和组织培养是一个新兴的生物医学研究领域,使科学家能够以前所未有的方式研究人体器官和组织的生理学。然而,尽管这些3-D文化可以产生,但能够实时准确评估其功能的技术还没有得到很好的发展。

这项研究的资深作者、剑桥化学工程和生物技术系的Roisin Owens博士说:“二维细胞模型很好地服务于科学界,但我们现在需要转向三维细胞模型,以开发新一代的疗法。”

化学工程与生物技术系的博士后研究员 Charalampos Pitsalidis博士说:“三维细胞培养可以帮助我们识别新的治疗方法,并知道哪些是应该避免的,如果我们能够精确地监测它们。”

最新这一设备将细胞整合到一个3-D晶体管中,该晶体管由一种类似海绵的软材料制成,其灵感来自于天然组织结构。该设备使科学家能够以新的方式研究细胞和组织。通过使细胞在三维空间中生长,该装置更精确地模拟了细胞在体内的生长方式。

Owens博士说:“我们体内的大多数细胞通过电信号相互交流,所以为了在实验室中监测细胞培养,我们需要将电极连接到它们上,然而,电极非常笨重,很难与细胞培养物连接,所以我们决定把整个东西颠倒过来,把细胞放进电极里。”

具体来说,Owens和她的同事开发的这个装置是基于一种导电聚合物海绵的“支架”,这种支架被配置成一个电化学晶体管。细胞在支架内生长,然后整个装置被放置在一个塑料管中,通过塑料管,细胞所需的营养物质可以流动。使用柔软的海绵电极代替传统的刚性金属电极为细胞提供了一个更自然的环境,这是器官芯片技术在预测器官对不同刺激的反应方面取得成功的关键。

另外,芯片设备上的其他器官需要完全分离,以监测细胞的功能,但由于剑桥led设计允许实时持续监测,因此可以对各种疾病的影响和潜在治疗的效果进行长期实验。

“有了这个系统,我们就可以监测组织的生长,以及它对外界药物或毒素的反应。” Pitsalidis说,“除了毒理学测试,我们还可以在组织中诱发一种特定的疾病,以研究这种疾病的关键机制或发现正确的治疗方法。”

研究人员计划利用他们的设备开发出一种“肠道芯片”,并将其连接到“大脑芯片”,以研究肠道菌群与大脑功能之间的关系,并且已经在法国申请了该设备的专利。

责编:风铃

参考文献:

1. Transistor in a tube: A route to three-dimensional

2. 3D 'organ on a chip' could accelerate search for new disease treatments

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