即插即用可定制 多器官晶片演繹人體原理
新研究培養了肝臟、心臟、骨骼和皮膚，並通過血管流動連接了4個星期。這些組織可從單個人類誘導的多能幹細胞中生成，從而生成患者特異性晶片，這是人類疾病和藥物測試個體化研究的絕佳模型。圖片來源：基思·耶格爾/哥倫比亞大學工程系
左圖 在多器官晶片中培養的組織（從左到右為皮膚、心臟、骨骼、肝臟和內皮屏障）在通過血管流動連接後保持其組織特異性結構和功能。右圖 新的多器官晶片有玻璃顯微鏡載玻片的大小，可培養多達四種人類工程組織，其位置和數量可根據所提出的問題進行調整。這些組織通過血管流動連接，但選擇性滲透的內皮屏障的存在維持了它們的組織特異性生態位。
圖片來源：凱西·羅納德森-博查得/哥倫比亞大學工程系
【今日視點】
美國哥倫比亞大學工程系和醫學中心的一組研究人員報告説，他們已經開發出一種多器官晶片形式的人體生理模型，該晶片由經過工程改造的人體心臟、骨骼、肝臟和皮膚組成，通過迴圈免疫細胞的血管流動，以重現相互依賴的器官功能。
研究人員創造的這種即插即用的多器官晶片，大小與顯微鏡載玻片相當，可為患者定制。由於疾病進展和對治療的反應因人而異，因此這種晶片最終將為每位患者提供個性化的治療。這項研究刊載于4月27日出版的《自然·生物醫學工程》雜誌上。
靈感來自人體
工程組織已成為疾病建模和在人體環境中測試藥物療效和安全性的關鍵組成部分。研究人員面臨的一個主要挑戰，是如何使用多種可進行生理交流的工程組織來模擬身體功能和全身性疾病，就像它們在體內所做的那樣。然而，必須為每個工程組織提供自己的環境，以便特定的組織表型可維持數周至數月，符合生物學和生物醫學研究的要求。使挑戰變得更為複雜的是，必須將組織模組連接在一起以促進它們的生理交流，這是對涉及多個器官系統的建模所必需的。
從人體的工作原理中汲取靈感，研究團隊構建了一個人體組織晶片系統，在該系統中，他們通過迴圈血管流動將成熟的心臟、肝臟、骨骼和皮膚組織模組連接起來，讓相互依賴的器官能夠像在人類的身體裏。研究人員之所以選擇這些組織，是因為它們具有明顯不同的胚胎起源、結構和功能特性，並且受到癌症治療藥物的影響。
“在保持其個體表型的同時提供組織之間的交流一直是一項重大挑戰，”該研究的主要作者、哥倫比亞大學幹細胞和組織工程實驗室副研究科學家凱西·羅納德森-博查得説，“因為我們專注于使用源自患者的組織模型，我們必須單獨使每個組織成熟，以便它以模倣患者身上的反應方式發揮作用，我們不想在連接多個組織時犧牲這种先進的功能。在體內，每個器官都維持著自己的環境，同時通過攜帶迴圈細胞和生物活性因子的血管流動，與其他器官相互作用。因此，我們選擇通過血管迴圈連接組織，同時保留維持其生物保真度所必需的每個單獨的組織生態位，模倣我們的器官在體內連接的方式。”
組織模組可維持一個月以上
研究團隊創建了組織模組，每個模組都在優化的環境中，並通過選擇性滲透的內皮屏障將它們與常見的血管流分開。個體組織環境能夠跨越內皮屏障並通過血管迴圈進行交流。研究人員還將産生巨噬細胞的單核細胞引入血管迴圈，因為它們在指導組織對損傷、疾病療效的反應方面發揮著重要作用。
所有組織均來自同一係人類誘導多能幹細胞，從少量血液樣本中獲得，以證明個體化、患者特異性研究的能力。而且，為了證明該模型可用於長期研究，該團隊將已經生長和成熟4到6周的組織在通過血管灌注連接後又維持了4周。
研究人員還證明了該模型如何用於研究人類環境中的重要疾病，並檢查抗癌藥物的副作用。他們研究了多柔比星（一種廣泛使用的抗癌藥物）對心臟、肝臟、骨骼、皮膚和脈管系統的影響。他們表明，測試效果概括了使用相同藥物進行癌症治療的臨床研究報告的效果。
使用該模型研究抗癌藥物
該團隊同時開發了一種新的多器官晶片計算模型，用於對藥物的吸收、分佈、代謝和分泌進行數學模擬。該模型正確地預測了阿黴素代謝成阿黴素醇並擴散到晶片中。在未來其他藥物的藥代動力學和藥效學研究中，多器官晶片與計算方法的結合為臨床前到臨床外推提供了改進的基礎，同時改進了藥物開發流程。
研究人員稱，新技術能識別出一些心臟毒性的早期分子標誌物，這是限制藥物廣泛使用的主要因素。最值得注意的是，多器官晶片準確地預測了心臟毒性和心肌病，這通常需要臨床醫生減少阿黴素的治療劑量，甚至停止治療。
研究小組目前正在使用這種晶片的變體進行研究，所有這些都在個體化的患者特定環境中進行。如乳腺癌轉移、前列腺癌轉移、白血病、輻射對人體組織的影響、新冠病毒對多器官的影響、缺血對心臟和大腦的影響，以及藥物的安全性和有效性。研究團隊還在為學術和臨床實驗室開發一種用戶友好的標準化晶片，以幫助充分利用其推進生物和醫學研究的潛力。
研究人員説：“我們對這種方法的潛力感到興奮。它專為研究與損傷或疾病相關的全身性疾病而設計，將使我們能夠保持工程人體組織的生物學特性及其交流。一次一個病人，從炎症到癌症。”