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基于微流控技术的机体/器官芯片在药物开发中的应用

来源:本站原创 2019-08-16 11:28

2019年8月16日讯 /生物谷BIOON /——器官芯片,作为一种基于微加工技术的的微流体器件,近年来在体外器官模型得到了广泛的研究。由于它可能在物理和化学方面采用微流体装置技术模拟体外环境,因此维持可以通器官芯片来维持细胞功能和形态,并复制器官间的相互作用。

来自日本东海大学(Tokai University)和东京大学(The University of Tokyo)的研究人员发表了一篇综述文章,详细阐述了微流体系统、器官芯片、身体芯片技术的背景和研究现状,同时指出了它们在模拟器官、组织功能和药物开发中面临的问题和挑战,相关文章发表在《Drug Metabolism and Pharmacokinetics》杂志上,题为"Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug discovery"。

图片来源:Drug Metabolism and Pharmacokinetics

虽然动物实验对于药物发现过程中的临床前筛选是必不可少的,但诸如伦理考虑和物种差异等各种问题仍然存在。为了解决这些问题,利用人类来源的细胞进行的细胞检测一直在积极进行。然而,这些方法在准确预测药物的疗效、毒性和器官间的相互作用方面仍然存在问题,因为在常规的体外细胞培养体系中培养的细胞往往不能保留它们原有的器官功能和形态。

而器官芯片技术的出现在很大程度上解决了这些问题,因此在近年来备受关注。到目前为止,各种器官的功能肺、肝、肾、肠等组织已作为体外模型被复制,出现了肺芯片、肝脏芯片、肾脏芯片、肠道芯片,这些芯片都可以在一定程度上模拟真实器官的状态和环境,因此可以用于药物的初步筛选。

由于人体是由具有多种生理功能的器官和组织构成,是一种复杂的系统,因此科学家们在器官芯片的基础上,通过整合多个器官芯片于一体,提出了所谓的身体芯片。这种芯片包含多个器官芯片,可以用于研究不同给药方式后相关的药物代谢动力学(包括药物吸收、分布、外排和代谢等),获得的数据可用于创造预测药物疗效的数学模型。

问题与挑战

值得注意的是,现有的这些器官芯片或者身体芯片还无法直接替代药物开发过程中的动物实验,因为这不仅涉及评估多种生化反应的成像技术,还涉及到在芯片中同时进行生化分析。目前器官/身体芯片操作的复杂性严重影响了芯片的通量和普适性,这可能是器官/身体芯片广泛应用的障碍。此外,细胞的来源也是一个关键的生物学问题,目前常用的永生细胞主要来源于癌细胞,已经失去了源器官的功能,而人源化原代细胞的来源和费用都是障碍。而ips来源的人细胞也许可以解决这些问题,使器官芯片/身体芯片更接近实际应用。

总的来说,作者在这篇综述文章中总结了器官/身体芯片的研究现状和面临的障碍。考虑到药企知道问题在哪里,但不知道怎么构建芯片;而工程师熟悉芯片构建,却不知道这些芯片如何解决问题,作者最后指出要推动这种技术的进一步应用,需要医学、药学、生物学和工程学等领域的研究人员的紧密合作。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

Hiroshi Kimura et al. Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug discovery. Drug Metabolism and Pharmacokinetics 33 (2018) 43e48. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dmpk.2017.11.003
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