在新藥的臨床前實(shí)驗(yàn)中，使用小白鼠模型能夠了解新藥對(duì)整體的影響，但不能很好地反映新藥對(duì)人體的影響；使用體外培養(yǎng)的人體細(xì)胞，卻缺乏整體的把握。全球科學(xué)家都在尋找一種更加迅速、有效的臨床前實(shí)驗(yàn)方法,縮短藥物研發(fā)周期，降低研發(fā)費(fèi)用。

1.器官模擬芯片的前世今生

早在10多年前，美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員首次提出設(shè)想：用人體不同器官的細(xì)胞在芯片上構(gòu)建人體組織，模擬人體環(huán)境。自2012年起，美國(guó)計(jì)劃投入7500萬(wàn)美元啟動(dòng)人體器官芯片的研發(fā)。如今，美國(guó)哈佛大學(xué)Wyss研究所，已經(jīng)使用制作計(jì)算機(jī)芯片的技術(shù)，將活的人體器官細(xì)胞植入到芯片上，通過(guò)微流控技術(shù)芯片，模擬出人體肺泡在呼吸過(guò)程中的收縮生理過(guò)程。在我國(guó)，利用微流控技術(shù)開發(fā)的器官芯片正在模擬人體的腸營(yíng)養(yǎng)、肝腸代謝、口腔、卵巢、腎臟等功能。

微流控芯片是21世紀(jì)最重要的科技前沿領(lǐng)域之一，是通過(guò)對(duì)微米級(jí)通道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流體的驅(qū)動(dòng)和控制，把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過(guò)程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊厘米尺度的芯片上，最終實(shí)現(xiàn)“芯片實(shí)驗(yàn)室”。微流控芯片單元結(jié)構(gòu)的尺度，使它有可能同時(shí)容納分子、細(xì)胞、仿生的組織，甚至器官，而芯片特殊的流體精準(zhǔn)操控體系又能同時(shí)捕捉物理、化學(xué)和生物數(shù)據(jù)。

2. 微型人類器官誕生—肝臟芯片

肝臟芯片是一種經(jīng)過(guò)工程改造的模擬生物活性的微型人類器官。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）開始測(cè)試這種芯片，希望可以作為一種可靠的模型來(lái)研究相關(guān)疾病。

通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，FDA可以知道從這些芯片上得到的數(shù)據(jù)，是否可以替代動(dòng)物模型得到的數(shù)據(jù)，比如批準(zhǔn)新藥時(shí)的成癮性研究和藥物毒性研究。這是世界上第一次，政府官方機(jī)構(gòu)采取芯片器官來(lái)代替動(dòng)物模型測(cè)試。

盡管這個(gè)芯片的設(shè)計(jì)是最初為了測(cè)試藥物，研發(fā)團(tuán)隊(duì)希望能夠用它來(lái)檢測(cè)身體器官對(duì)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑以及化妝品的反應(yīng)。

他們也計(jì)劃?rùn)z測(cè)食源性病原體對(duì)特定器官的影響。FDA食物安全科學(xué)家們會(huì)先在肝臟芯片中測(cè)試，然后再在腎臟、肺、小腸芯片模型中測(cè)試。

該芯片是由美國(guó)波士頓的生物技術(shù)公司Emulate制造。這個(gè)微型芯片的支架上養(yǎng)著多種不同的人類肝臟細(xì)胞，而且有一種模擬血液的液體流經(jīng)這個(gè)芯片，帶來(lái)養(yǎng)分，帶走廢物。Emulate的執(zhí)行總監(jiān)Geraldine Hamilton說(shuō)，他們計(jì)劃在芯片上加入免疫系統(tǒng)的成分，來(lái)看看它們對(duì)肝臟代謝是否有影響。

“人們?cè)敢鈬L試新的技術(shù)，我感到很激動(dòng)?！辟e夕法尼亞州匹茲堡大學(xué)毒理學(xué)家Lawrence Vernetti說(shuō)到，他也在開發(fā)一種新的微型肝臟芯片。動(dòng)物的代謝和人的代謝在某些方面很不一樣，比如巧克力對(duì)狗是有毒的。

盡管對(duì)于研究食物在人體中毒性來(lái)說(shuō)，動(dòng)物都是很好的模型，但這并不能保證它們不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。為了達(dá)到長(zhǎng)期目標(biāo)，即減少用于實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物，必須開發(fā)出一種結(jié)果穩(wěn)定的可靠替代系統(tǒng)就顯得尤為重要。

Vernetti對(duì)于FDA那么快就開始測(cè)試這些芯片感到非常驚訝，但是他覺(jué)得這個(gè)決定是很及時(shí)的。因?yàn)檫@兩年，公眾的壓力越來(lái)越大，他們希望實(shí)驗(yàn)中可以減少動(dòng)物的使用。比如，在2013年，歐盟就禁止銷售使用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的化妝品?！澳悴豢赡懿粚?duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試——你只能尋找測(cè)試的替代品。

3. 逐步替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

目前，微流控芯片已被業(yè)界公認(rèn)為當(dāng)今對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞及其環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)操控的主流平臺(tái)。利用微流控芯片技術(shù)可構(gòu)建腫瘤細(xì)胞三維共培養(yǎng)模型、腫瘤多器官轉(zhuǎn)移的模型等，實(shí)現(xiàn)了在生物體外測(cè)試研發(fā)中腫瘤藥物的實(shí)際藥效。與此同時(shí)，科研人員還研發(fā)成功了一種使多種細(xì)胞及組織在體外共存的類器官多功能微流控芯片。該芯片可以同時(shí)測(cè)定藥物的吸收、分布、代謝、消除等藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)、進(jìn)行藥物的抗腫瘤和肝毒性評(píng)價(jià)，初步具備了試驗(yàn)用動(dòng)物的功能。

據(jù)了解，微流控芯片還可任意更換其中的細(xì)胞和組織種類，變身各種“器官”功能用于藥物研發(fā)中的臨床前試驗(yàn)，為最終取代臨床前動(dòng)物試驗(yàn)邁出了重要的一步。

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