科學家用「晶片」模擬人體器官,仿造肺、眼睛、子宮外還挑戰免疫系統

【我們為什麼挑選這篇文章】新冠病毒感染力強、變異性也高,疫苗研發的速度要趕上病毒發生變異的腳步相當困難。為了讓臨床實驗的速度加快,歐美醫學中心開始使用這種「器官晶片」,模擬人體反應,加快藥物研發的速度。(責任編輯:戴慈慧)

新冠疫苗的研發競賽在今年秋季或將迎來第一個節點,除了穩速領跑的中國研發隊伍以外,歐美國家的研發團隊也瞄准了 9 月帶來能夠緊急投入使用的疫苗。

面對 COVID-19 新冠病毒,這一難以在短時間內消滅,甚至有可能和人類永遠共存的病毒,顯然傳統的藥物研發速度難以抵抗。

為了追趕新冠病毒再發生變異的腳步,搶先一步地找到其穩定的部分進行有效免疫成為當下藥物與疫苗研發的關鍵,而科研人員們都希望這個速度能夠再快一點。

因此我們急需一種技術:能夠縮短新冠藥物的研發週期,為臨床實驗提速,並且能夠保證足夠的安全有效。目前,一種名為「器官晶片」的前沿技術正在發揮作用解決這些問題。

什麼是「器官晶片」?

器官晶片「organs-on-a-chip」(以下簡稱 OOC),可以把這種技術形象的理解為:在一塊晶片上建造人體器官的機構與功能系統,模擬疾病發生,以此體體外預測各種藥物或者外界刺激下的各種反應。

這和細胞培養研究很有相似之處,而實際上 OOC 的技術也確實是細胞培養研究再經歷了 100 多年後的進階版。

當然 OOC 成為熱門也是因為新藥研發的尷尬困局。和治療新冠的疫苗與藥物面臨的挑戰一樣,目前各種新藥的研發週期平均都在 10 年左右,且據 FDA 的數據報告顯示經過動物實驗驗證安全有限的藥物中,92% 都會在人體臨床中失效,高效低產是目前藥物研究領域的命運。

「器官晶片」能做什麼?

而 OOC 的技術特性有機會扭轉這種局面:它不僅能讓科學家們有機會通過顯微鏡看清細胞的病理變化;也能夠代替動物、人類進行藥物測試;並在早期篩選候選藥物的功效和毒性,為藥物研發全面提速。

在 COVID-19 新冠病毒出現之前,科學家們已經模擬出了多種人類器官的「晶片」來促進藥物開發和個性化醫學治療,像是人體的肺、肝臟、眼睛、女性生殖系統等。

這是來自賓夕法尼亞大學實驗室的「眼動晶片」。它和隱形眼鏡大小形狀相似,模擬人類眼睛的眼表狀態,包含角膜、結膜細胞。黃色是營養物質正通過微流體通道傳向中間的「眼球」。研究人員還設計了一個會眨眼的眼瞼,以保持芯片表面保持潤滑。這些類眼芯片為眼部疾病建模,可以在芯片上進行藥物實驗和病理觀察。

眼動晶片

這是西北大學的女性「月經模型 EVATAR」,的確這個巴掌大的東西第一眼看上去它更像是某個計算機上拆下來的零件。

晶片上其實連接了五個微型器官的細胞:輸卵管、子宮、陰道、卵巢和肝臟。它們會通過「泵」的作用攜帶藍色的模擬血液移動,來模仿女性 28 天的月經週期生殖系統運轉,以此闡明一些生理疾病。

月經模型 EVATAR

哈佛大學懷斯學院的「肺泡晶片」大概只有拇指大小,上面構建了充滿了人肺泡上皮細胞和空氣的黃色上部通道,和血液細胞的藍色下通道。他們利用這個看似簡單的芯片研究機械力對於呼吸的影響,甚至也用它研究了吸煙過程中對支氣管上皮細胞的影響。

肺泡晶片

類似上面這些模擬人體構造的器官芯片還有很多,OOC 將複雜的人體經過數理和建模拆解成一個個最小功能單元,將各個器官或者說是細胞的運作過程曝光且放大到晶片上。

這是 OOC 的優勢但也同樣是它的瓶頸,正如我們看到的,OOC 目前模擬的只是幾種人體細胞的運作,雖然研究人員也在試圖將這些器官晶片連接起來,形成一個集成電路中的微型器官系統,但它的複雜性離真正的器官還很遠。

一個模擬心臟輸出的集成電路晶片系統

最大挑戰:模擬人體免疫系統

器官晶片 OOC 也加入了這場全球性的抗擊 COVID-19 新冠病毒的藥物和疫苗研發中。它與藥物和疫苗不同,OOC 試圖從晶片上找到打擊新冠病毒的靶點。

為什麼 COVID-19 能夠如此容易並且迅速的傳播?為何能快速打破免疫系統屏障侵入人體?目前仍然是未知。

為此來自加拿大的一組科研人員,正在晶片上創建:鼻子、嘴、眼睛、肺部的模型,用來觀察新冠病毒如何打破這些保護屏障進入體內。

這種觀察與實驗是無法在人體操作的,借助這些晶片,科研人員能夠看到病毒感染 24 小時期間發生的變化,更長遠一點的話,可以觀察到長達 14 天潛伏期發生的一系列病變。

而這項研究面臨最大的挑戰就是在晶片上模仿人類的免疫系統,這是人體抵抗新冠病毒做出反應的關鍵,而人體免疫細胞像是 T 細胞和 B 細胞,目前無法人工製造。

另外利用 OOC 技術研究對抗 COVID-19 的研究人員在用其他方式探索病毒,他們試圖建立一種血液的檢測芯片,來讀取感染新冠後會產生哪些細胞標誌物來激活免疫反應。不過研究人員表示,新冠病毒的狡猾之處在於它的變化速度相當快,發現最早的標誌物難度相當大。

在與新冠病毒競賽爭分奪秒戰鬥的日子里,顯然想要快速突破器官晶片的技術瓶頸相當之難,但是這種技術或許能成為一種輔助手段。雖然器官晶片 OOC 目前無法取代人體和動物實驗,但它能夠成為某些測試階段很好的替代品,讓人們能夠多一些機會抓住病毒的把柄,預測藥效的成敗。

新冠病毒為人們帶來疫苗與藥物研發的最高難題,但也勢必會推動顛覆性的科學技術快速向前跑。

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈模拟人类器官的芯片,能加速新冠药物的研发吗 〉。首圖來源: 品玩

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