眼花繚亂的人體晶元

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一種以逆向工程為指導方針的新技術，「人體晶元」（human-on-a-chip）或稱「器官晶元」（organ-on-a-chip），成了時下最受關注的新一代藥物篩選測試平台。

目前為止，我們還沒有足夠的技術構建出一個還原度為100% 的人體模型。不過，相比還原整個人體的耗時耗力，科學家們將精力集中在了另一條路徑，即逆向工程（reverse engineering）上。逆向工程的目標是還原目標器官關鍵的部位和功能。這條路徑可以在不損失模型功能的情況下大大縮減實驗成本。比如，如果我們要觀察藥物在腸道中的吸收效率，與其還原一整條腸道（耗時，複雜），不如只還原腸道表面負責吸收藥物的小腸絨毛結構和表皮細胞。於是，一種以逆向工程為指導方針的新技術，「人體晶元」（human-on-a-chip）或稱「器官晶元」（organ-on-a-chip），就成了時下最受關注的新一代藥物篩選測試平台。這個平台除了有能力模擬人體目標器官的三維微觀環境之外，還擁有樣本量少、精度高、多功能和自動化四大特點。人體晶元之所以擁有多項優點，是因為它是建立在微流控晶元（micro?uidics）平台上的一項技術。所以在介紹它之前，我們先簡單了解一下微流控晶元這個平台。

微流控晶元平台

微流控晶元是一項在微型的管道中操控和處理微量流體（體積通常 以微升計或更小）的技術。這項技術是從微體電子學（microelectronics）發展而來的。不同的是，微流控晶元的管道里流的不是電子，而是液體。雖然目前還處在初始研發階段，但微流控晶元在生物化學領域所帶來的好處以及未來的潛力已經得到廣泛的認可和接受。相較傳統實驗室的技術，微流控有三個最大的優勢。

01

小型化

實驗空間的縮小（微米級以下）不僅可以節約樣本的使用量和減少廢料，也大大提高了實驗的準確性和精度。

02

集成化

像集成電路一樣，設計者可以在一塊微流控晶元上添加許多不同的功能板塊，每個功能板塊之間可以利用管道實現相互流通，大大減小了設備的體積。

03

自動化

微流控晶元的操作可以做到全自動化，從而降低了人工成本和實驗耗時。正如集成電路的出現使昂貴且笨重的大型計算機的體積變小，並造成人手一台筆記本電腦和智能手機的現象，微流控晶元的出現勢必會在不久的將來改變傳統生物化學實驗室的模式，讓生物化學實驗更加普及化。

人體晶元概念

以微流控晶元為平台，人體晶元旨在在人體外模擬人體內部環境。這個內部環境可以是某一塊組織，某一個器官，甚至多個器官的組合（比如整個人體）。人體晶元的製作方法簡單來說就是先在微流控晶元中搭建一個目標組織或器官的三維模型，然後將人體細胞培養在模型上。除了擁有微流控晶元技術的低成本、高效性和可控性等優點，人體晶元還可以更準確地模擬人體內微米級或更小的三維環境，從而增加了藥物篩選及測試的準確性和可靠性。

到目前為止，已經發表的不同器官的人體晶元研究成果包括以下 8 種：腸道晶元（gut-on-a-chip）、肺部晶元（lung-on-a-chip）、心臟晶元 （heart-on-a-chip）、血管晶元（vessel-on-a-chip）、腫瘤晶元（tumor-on-achip）、胎盤晶元（placenta-on-a-chip）、人眼晶元（eye-on-a-chip）和人體晶元（human-on-a-chip）。

腸道晶元

口服藥物進入人體的第一途徑就是通過腸道的吸收，所以建立一個人體腸道模型可以為口服藥物的吸收、代謝等研究帶來幫助。傳統的體外培養皿技術將腸道表皮細胞培養在一張通透性膜上，從而形成一張二維的細胞膜將上下兩個空間隔離，模擬成人體腸道中內腔（lumen）和血液（blood）的分界面。利用這個模型，科學家可以研究藥物從內腔被吸收到血液的效率。然而，實際人體的腸壁充滿了小腸絨毛和褶皺等三維結構，同時還有著大量的微生物菌落。這些特點都會影響藥物的吸收。

2012 年，美國哈佛大學Wyss 生物工程學院的Ingber 實驗室首次 研製了一款腸道晶元。如圖 3–5 所示，研究人員將人體腸道表皮細胞培養在微流控晶元管道中帶有一定通透性的膜（transwell）上，並在管道兩側添加了周期性變化的氣壓（cyclicmechanical strain），在通透膜兩側添加了持續的水流來還原人體腸道的蠕動和食物水分的流動。這些物理變化帶來的好處就是還原了表皮細胞在人體腸道中所受的物理刺激，促使這些細胞進一步分化，形成三維的褶皺和小腸絨毛結構。除此之外，人體腸道中的微生物群落也被證明可以在這個模型里與腸道表皮細胞共生。和傳統的培養皿培養技術相比，這個模型在表皮細胞的面積和藥物吸收效率上更接近真實的人體腸道，在未來的藥物測試中有著巨大的潛力和市場。

肺部晶元

在動物體內研究肺部組織具有相當大的困難，因為這個器官持續地受到許多外力的影響，比如呼吸。2010 年，美國哈佛大學Wyss 生物工程學院的Ingber 實驗室就首次在晶元中模擬了氣管表皮細胞的微環境。其研究人員在一層通透性膜上層培養了一層肺部氣管中的表皮細胞，在下層則培養了一層血管表皮細胞。通透膜的上層空間被通入空氣，模擬氣管內腔；通透膜的下層則通入液體，模擬人體血液環境。這個管道的兩側還有兩個管道，可利用氣壓模擬呼吸循環中肺腑張力和液體壓力的變化。使用這個肺部晶元，研究人員展示了在氣管缺少表面活性劑的情況下，氣管表皮細胞受到的影響。

心臟晶元

研發心血管疾病藥物時面臨的困難主要來自如何在體外還原心臟微環境中的三維結構（morphometric）、心肌組織的收縮性 （contractile）和電生理學（electrophysiological）的特點。2011 年，美國哈佛大學Wyss生物工程學院的Parker實驗室研製出一款心臟晶元。其研究人員將心肌細胞培養在一種有彈性、可變形的薄膜上，形成一種肌肉薄膜（muscular thin ?lm）。每一個心臟晶元里都裝配了8 片獨立的肌肉薄膜，研究人員可在一次實驗中同時觀測和對比心肌細胞在不同的刺激下的反應。除了觀測心肌細胞的收縮，他們還可以觀察到收縮過程中產生的電信號。值得一提的是，肌肉薄膜可以被製作成不同的三維結構，更好地模擬人體中的環境。研究者們成功地在晶元上測試了不同濃度腎上腺素對心臟肌肉細胞收縮性的影響。

血管晶元

許多心血管疾病發生前的重要徵兆是患者出現高血壓。高血壓在最初的時候通常只是體內某些微小血管中結構和功能的病變。因此，更好地理解血管病變的成因可以增加我們對心血管疾病的預防和治療效果。2010 年，多倫多大學生理學院的Boltz 實驗室研製了一款基於微流控晶元的動脈模型。其研究人員在晶元中搭建了一個空心的血管支架，然後在支架外側培養了一層血管表皮細胞和一層平滑肌肉細胞。表皮細胞通過自身分泌的血管收縮因子和血管舒張因子調節血管模型的三維形態。研究人員在血管模型的兩側還搭建了導管，用於模擬人體中血管周圍環境與血管的物質交換。通過這個模型，研究人員發現，不是所有的應激反應都發生在整個血管表面，血管收縮的反應就只涉及了血管的某一側細胞群。這個血管晶元實驗平台將會對心血管疾病藥物的初期研發階段產生巨大的幫助。

腫瘤晶元

與其他的器官晶元相比，腫瘤晶元的研發正在以非同尋常的速度發展。研發腫瘤晶元的目的在於還原複雜的腫瘤微環境或者模擬腫瘤轉移，從而測試抗腫瘤藥物的效果。以微流控晶元為平台，腫瘤晶元可以模擬傳統體外模型無法模擬出的腫瘤微環境中的關鍵因素，包括低含氧量、腫瘤和環境的互動以及營養物質的濃度梯度。

2012 年，麻省理工學院癌症綜合研究中心的Kamm 實驗室研發出一款腫瘤晶元。在這款晶元中，腫瘤細胞和血管內皮細胞被同時培養在三維的水凝膠環境中，從而模擬了腫瘤和血管的互動。代表人體免疫系統的巨噬細胞，則被培養在了血管內皮細胞的另外一側。利用這個晶元，研究人員們研究了巨噬細胞釋放的腫瘤壞死因子（TNF-α）對腫瘤細胞轉移進血管的促進作用。

胎盤晶元

據調查，每年有11% 的孕婦會面臨早產以及早產帶來的胎盤功能紊亂的風險。關於胎盤這個人們了解最少的人體器官，許多問題有待研究，譬如物質是如何在母體和胎兒之間進行交換的。這類問題的研究無法僅僅依靠一個單一的胎盤器官，而需要一個母體和胎盤相互連接的系統。

來自賓夕法尼亞大學生物工程學院的Huh（許）教授帶領的團隊在《晶元實驗室》（Lab on a chip）雜誌上首次發表了關於構建這個系統（胎盤晶元）的研究成果。研究人員將兩個並行的微流控管道之間用一片通透膜隔開。他們在膜的一側培養了滋養層細胞（一種處於胎盤最外層與母體血液交界處的細胞），在另一側培養了胎兒血管的表皮細胞。這兩層細胞模擬了胎盤隔離帶（placental barrier）這一將母體和胎兒循環系統隔離的區域。在胚胎髮育的過程中，胚胎里的細胞不間斷地發生著變化。這層胎盤隔離帶也隨著胚胎的發育逐漸變薄。這個變薄的過程對胎兒和母體之間的物質交換而言非常重要。現在，胎盤晶元將首次使我們能夠直接觀測和研究這個變化的過程，大大促進了我們對早產帶來的胎盤功能障礙的研究以及對其的治療。

人眼晶元

來自賓夕法尼亞大學的Huh 實驗組的另一項研究成果是成功地在微流控晶元上模擬了人眼的結構和眨眼的功能。研究人員將人體角膜細胞培養在一個3D 列印出的眼球表面弧線形狀的外殼上，以模擬眼球表面的角膜組織和結膜組織。之後，通過使用微流控晶元和自動化系統，研究人員模擬了淚水的分泌和眨眼的過程。這項新的技術可以用於眼睛相關的生理和病理研究，例如藥物或者環境污染對眼睛的影響。

人體晶元

儘管人體晶元是時下生物工程界最熱門的話題，但真正在微流控晶元中模擬出「人體」的實驗成果卻不多。大多數時候，我們聽到的新聞都是關於在晶元中模擬出「人體的某一個器官」的研究成果。近期，來自美國哈佛大學和英國牛津大學的科學家們研製了7 種不同的小型人體器官模型，並將它們連接在了一起，組成了世界上第一個真正意義上的「人體晶元」。這個一半是細胞，一半是晶元，看上去像集成電路的微型人體看起來與人相去甚遠，不過這並不重要。它的目的在於幫助開發和檢測新型藥物。

「相較動物模型，製藥公司更願意使用這個人體晶元。」正如英國人體晶元公司 CN Bio 的首席執行官埃瑪·斯基茨（Emma Sceats）博士所說，製藥公司已經開始將研究重心從傳統的動物模型向新型的體外器官模型或者其他生物技術上轉移了。科學家們的最終目標是將人體的肝臟、腸道、心臟、腎臟、大腦、肺部、生殖系統、免疫系統、血液循環系統和皮膚用器官晶元的方式連接到一起，組成真正的人體晶元（如圖3–5 所示）。這個目標的最終達成將在極大程度上提升我們在生理健康、疾病預防和治療藥物等領域的研究水平。

人體晶元的未來

人體晶元技術具有先天優勢，因此擁有不可小覷的市場前景。到目前為止，已經有多個基於大學實驗室的初創公司成立。其中媒體最關注的是基於哈佛大學Wyss 生物工程學院的Ingber 實驗室，成立於 2013 年的Emulate Bio 公司。Emulate Bio 公司的核心業務是通過人體晶元研究疾病、藥物、化學物質和食物對人體健康的影響。其產品不僅包括肺部晶元、腸道晶元、肝臟晶元和大腦晶元等單個器官晶元，而且也包括將多個器官晶元整合到一起形成的模擬人體的系統。值得一提的是，Emulate Bio 公司的未來發展方向是利用用戶自身的細胞製造個人化的人體晶元（you-on-a-chip），從而改變用戶了解和管理自身健康的方式。

人體晶元有著廣闊的發展和應用前景，同時也面臨著技術和市場化的挑戰。具體如下。第一，如何利用人體胚胎幹細胞（embryonic cells）或者誘導性多功能幹細胞（iPS cells）建立一個可以持續使用的體外模型。第二，在現有的人體模型中，細胞大多生長在合成材料構建的三維模型中。這些合成材料對細胞的刺激程度不如人體內環境所帶來的刺激程度，還會影響細胞的生長。比如，某些細胞所需的生長物質會被晶元材料所吸收。因此，如何進一步提高晶元材料的生物適應性（biocompatibility）也是一大難題。第三，現有的晶元材料雖然適合實驗室里的晶元開發，卻不適合工廠里的大規模晶元生產。第四，由於該技術的全新性，人體晶元的下游數據分析還很難做到與現有的生物分析技術無縫對接。第五，人體晶元的發展需要在儘可能還原人體的複雜度和保持實際操作的簡便性之間找到一個平衡點。過低的人體還原度或者過高的操作需求都會限制人體晶元在市場上的推廣。

轉自丨EETOP

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