「人體晶元系統」技術——動物實驗終結者？
在研製新型處方葯和解毒劑的早期階段，研究人員會進行大量動物實驗。實際上，動物實驗不僅成本高耗時長，而且動物身體與人類身體的生理機能不同，研究人員也無法從中得到對人體完全有效的數據。即便能進行人體實驗，某些實驗結果將損害被測試者的健康，不符合人道準則，法律禁止這樣的實驗。
在不進行動物實驗或人體實驗的情況下，有沒有一種方法讓科學家了解害化學物質、病毒或毒品對人體產生的影響，並獲得準確的人體實驗數據？
為了實現上述目的，美國勞倫斯利物莫國家實驗室正在研製一套「人體晶元」；這套晶元是一套微型人體器官複製品，綜合運用了生物學和工程學技術，將微流體技術和多電極陣列技術相結合。
人體晶元使用聚合物這樣的合成材料製造。此類材料製造的器官晶元可能是透明的，可以使用顯微鏡來觀察細胞情況。器官晶元採用人體細胞培養，結構十分精細。只要具備合適的條件，晶元內的人體細胞能自然地生長，就像在人體內一樣；這些細胞的功能及對外來刺激的反應也和在人體內一樣。微流體的技術被用來向器官晶元里的細胞提供營養，向細胞注入與血液成分類似的液體。值得注意的是，器官晶元不含有完整器官，只是將相關器官的細胞培植在晶元里。
勞倫斯利物莫國家實驗室的人體晶元項目被稱為iCHIP平台，由四個生物學系統組成：中央神經系統（大腦）、外周神經系統、血腦屏障系統和心臟系統。
戴夫·欶斯卡是勞倫斯利物莫國家實驗室的工程師，也是iCHIP平台的「大腦晶元」研製團隊的領導人之一，大腦晶元是模擬人體中央神經系統的裝置。戴夫·欶斯卡說道：「這是一個測試平台，用來檢測各種新葯。只要研究人員有一套類似人體環境的系統，研究人員就用不著進行周期冗長的動物實驗，動物實驗提供給我們的信息不一定與人體相關。」
勞倫斯利物莫國家實驗室研發團隊將他們的精力主要用來研究人體大腦；他們試圖弄明白神經元如何互動，對化學刺激會產生怎樣的反應，例如大腦受到咖啡因、阿托品、辣椒素以及其他化學物質等激後的反應。
iCHIP平台將多種腦細胞以混合方式培植在一個裝置里。為了研究人體大腦，初級神經元被植入一個微電極陣列裝置，該裝置能模擬人體大腦的四個區域（海馬區、丘腦區、基底神經節和腦皮層）。在腦細胞長成後，將一種化學物質（例如阿托品）注入微電極陣列，神經元的生物電活動情況將被記錄下來。
欶斯卡表示：這種裝置的理念就是讓觀察到大腦更複雜的整體反應，我們之前無法做到這一點；初步結果顯示海馬區細胞和腦皮層細胞能在晶元里存活數月，這些細胞的反應將被記錄並予以分析。
人體內有一套被稱為血腦屏障的重要機制，該機制能在化學物質或毒物抵達中央神經系統之前，對這些物質進行過濾，這是人體的重要功能之一。勞倫斯利物莫國家實驗室的工程師莫妮卡·莫亞領導的研發團隊試圖利用iCHIP平台複製出人體血腦屏障。莫亞他們使用的裝置採用微管和微流控晶元（該晶元採用微型蝕刻管道而不是微管）來模擬血液流經大腦。莫亞的研發團隊用咖啡因和其他化學物質對該裝置進行了測試，以確保該裝置正常工作以及裝置內的細胞對這些物質反應與人體大腦一致。
莫亞說道：血腦屏障是大腦的門衛，讓血液里的營養物質進入大腦，阻止潛在的有毒物質進入大腦；但血腦屏障的功能太過有效，可能阻止了一些治療藥物進入中央神經系統。一套真實的人體實驗血腦屏障模型將有助於研究人員研究血腦屏障的滲透性；作為一套用於藥物研發的體外模型，iCHIP平台的用途讓人難以想像。研製iCHIP平台能促進新型癌症藥品和疫苗的研發以及提高對生物武器防禦措施功效評估的準確性。
科學家希瑟·恩賴特是外圍神經系統研究團隊的領導人，外圍神經系統是將大腦與四肢及其他器官連接的神經系統。外圍神經系統裝置是多個微電極陣列嵌在玻璃上，微電極陣列內植入了脊椎神經細胞。類似與辣椒素這樣的化學物質（用於研究疼痛反應）就能通過一個小型精確泵注入iCHIP平台，以刺激微電極陣列里的神經細胞。
微電極將記錄神經細胞發出的電信號，能在不損傷神經細胞的情況下，讓研究人員觀察神經細胞對刺激做出的反應。與現有技術相比，iCHIP平台的這項技術極具優勢。恩賴特表示：「像iCHIP平台這樣的多電極陣列研究方式能讓研究人員對神經細胞進行多次觀察實驗，研究人員能最大限度地從中獲取數據。當對初級人體細胞進行測試時，iCHIP平台的這種功能顯得尤為重要。例如，當研究人員觀測人體細胞暴露在未知化學物質反應，細胞暴露數小時的反應與暴露數周乃至數月的反應是不同的。iCHIP平台提供了一種評估人體細胞在一段時期內的健康程度和功能變化的無損觀察方法。」
此外，勞倫斯利物莫國家實驗室早期還進行過在一個晶元上複製心臟的研究。在電刺激下，晶元上的心肌細胞成功地進行了跳動，研製心臟晶元的目的就是同時對心肌細胞的電生理學和運動進行研究。
伊莉莎白·惠勒是iCHIP研發團隊的主要研究員，按照她的說法，iCHIP研發團隊下一步將整合各個系統，從而建立一套完整的測試平台，用於研究某些基礎科學問題；最終建立一個完整的人體平台，i不僅能為疫苗提供相關人體數據，還能為了解疾病機制提供有價值的信息。在將來某一天，從人體晶元系統得到的信息將用於研製定製藥品。」
要停止全部動物實驗和人體實驗，僅僅依靠器官晶元就取得準確的實驗數據，研究人員還有有一段很長的路要走，可能還得耗費十多年時間。在現階段，一些生物醫藥機構還無法得到適用的器官晶元。人體免疫系統對外來物質的反應是一種相當複雜的過程，尤其是人體神經系統對藥物的反應。隨著相關技術的改進和研究人員對器官晶元更深的了解，越來越多的實驗動物將被器官晶元取代。
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