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人体器官芯片:颠覆性的生物新星

原标题:人体器官芯片:破坏性生物新星

众所周知,新药研发过程耗时长,成本高,失败率非常高。从数百种可能对人类健康有积极影响的化合物开始,制药公司通常要花十多年甚至更多的时间在数十亿美元的研发上,才能从这些化合物中获得一两种可以进入市场的药物。

现有的常规新药研发方法包括体外细胞实验、动物实验和临床实验的全过程。其中,细胞实验和动物实验主要用于研究药物的作用机理、毒理学和药效。然而,培养皿中的细胞培养和动物实验不能完全预测化合物。90%以上的药物在真实的人类环境中表现出不同的机制、毒性和疗效,导致后续药物开发失败,浪费资金和时间。

今年6月,《Science》杂志发表了一篇由宾夕法尼亚大学的SungheeEstellePark、AndreiGeorgescu和DongeunHuh联合撰写的片上器官识别系统(器官芯片)概述。这项技术有望成为解决上述新药研发难点的最有利武器。此外,与传统仿生器官技术相比,器官芯片能够更准确地控制局部环境,在体外模拟人体器官的功能单元,具有更好的应用前景。

传统器官类(Organoids)是一系列源自多能干细胞的自组织微三维细胞聚集体,能够模拟人体类似器官的关键结构和功能特征,包括人体器官的发育、体内平衡和疾病。然而,在三维培养中生长的细胞是随机的。1这些细胞群随机形成不同的空间结构,使得精确控制它们的局部环境非常困难。器官芯片是解决这个问题的最好方法。

器官芯片(Organs-on-Chip)是仿生生物学和微制造技术的结合。微流体技术用于控制流体流动,通过结合细胞-细胞相互作用、基质特性以及生化和生物力学特性,在芯片上构建人体器官的三维生理微系统2。器官芯片系统可以将微组织/微器官的直径控制在毫米甚至微米级,并增强其营养交换,以防止微组织/微器官的核心细胞死亡。简而言之,器官芯片是一种用于体外模拟人体器官功能单位的微细胞培养系统。

那么,器官芯片是如何恢复靶器官的结构和功能的呢?在他的评论中,朴博士列出了肺器官芯片的构造。

简而言之,要构建肺器官芯片,需要对肺泡的结构进行解剖学分析。通过还原,发现肺泡是由被薄基质分离的上皮细胞和内皮细胞组成的功能单位(图a)。为了在体外模拟肺泡,这两个单元需要由三层形成生理封闭模型,一层是与空气接触的上皮细胞,另一层是与培养液相接触的内皮细胞,中间由薄基质隔开(图b)。在结构构建之后,为了模拟呼吸引起的机械活动,通过对侧腔施加真空,细胞将被周期性地拉伸(图c)。肺器官芯片可以模拟肺生化环境的结构,实现药物和营养物质在细胞间的扩散,满足细胞间的营养供给,模拟呼吸引起的肺生理环境。因此,它可用于研究和筛选肺部疾病和药物。

除了模拟单个器官,器官芯片甚至可以模拟多个组织和器官的相互作用。在肠器官芯片系统中,肝、肠和胃器官被培养。1通过制备微模式培养支架和引导细胞生理生化梯度,科学家探索药物在不同器官之间的逐渐扩散。

器官芯片是一个新领域,但其研究历史可以追溯到2011年。同年9月,器官芯片作为一种更安全、更有效的药物药理毒理筛选技术,从美国国家卫生研究院、国防部和美国食品及药物管理局共获得1.4亿美元的研发投资,因此也是美国和欧洲第一个出现的。

2017年4月,美国食品和药物管理局宣布与美国波士顿的器官芯片公司Emulate合作,对肝芯片进行测试,并探索它们是否可以替代动物实验。“仿真”的创始人来自哈佛大学威斯生物创新工程研究所,该研究所是世界上第一个研究器官芯片技术的机构。相关的仿真专利技术也得到了哈佛大学的授权。目前,“仿真”已经经历了三轮融资,融资总额达2亿美元,即将登陆纳斯达克。

荷兰Mimetas公司是欧洲最具代表性的器官芯片研发制造商。它的创始人保罗沃托(PaulVulto)博士来自荷兰莱顿大学。该公司已与世界上20多家制药公司合作,在器官芯片销量方面处于行业领先地位。此外,经过两轮融资,Mimetas目前正在积极探索在中国市场实现商业化。

此外,全球器官芯片研发制造商,如英国的CNBioInnovations、Nortis、Xona和德国的TissUse,也在从多个角度开发器官芯片领域,如肾脏芯片、血脑屏障芯片、肿瘤芯片,甚至多器官串联芯片。随着未来研发的进展,器官芯片将成为药物临床前研究的最佳候选化合物评价模型,大大缩短现有药物的开发时间,提高化合物筛选的准确性,降低研发成本。器官芯片的发展将在一定程度上取代传统的体外细胞学和动物体内实验市场。这种替代趋势也已经被美国食品和药物管理局与仿真公司(Emulate)之间的一系列合作和支持所证实,这将是一个100亿美元的市场。

我国的器官芯片团队基本上集中在大学和研究所,还处于商业化的早期阶段。在新兴的器官芯片初创公司中,北京橡树园科技是这一领域的领导者。公司目前有三个器官芯片研发平台,考虑到高仿生和高通量的特点。有各种各样的病理模型。几个模型已在药物分析实验中初步验证,并将从2020年起上市推广。与仿真和模拟相比,产品价格优势明显。近日,九友资本与姚明康德、龙符资本联手投资大橡树园科技。积极推进大橡树技术产品的研发和商业化,加快器官芯片技术在中国的推广和落地。

(责任编辑:DF515)

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