來源:科技日報
美國加州大學(xué)伯克利分校生物工程師正在開發(fā)一種先進的“心臟芯片”(heart-on-a-chip)。目前,他們的芯片是一個裝在1英寸長的硅樹脂上的搏動心肌細(xì)胞網(wǎng),也是一個實際上的人類心臟組織的模型。 經(jīng)心血管藥物測試證明,可作為一種藥物篩選工具。這種器官芯片代表人們在開發(fā)精準(zhǔn)、快速藥物毒性測 試方法上邁出了重要一步。相關(guān)論文發(fā)表在近日的《科學(xué)報告》雜志上。
據(jù)每日科學(xué)網(wǎng)站近日報道,該項目由生物工程教授凱文海利負(fù)責(zé),旨在開發(fā)能模擬人體器官結(jié)構(gòu)與功能的3-D人體組織芯片?!斑@些芯片最終將取代動物用于安全有效的藥物篩選?!焙@f。
用動物模型來預(yù)測人類對新藥的反應(yīng),失敗率很高,主要原因是物種間的根本生理差異。如人類和其它動物心臟細(xì)胞導(dǎo)電的離子通道,在數(shù)量和類型上都有很大不同。海利說:“以這些通道為標(biāo)靶的心血管藥物,往往由于這些差異而無效。開發(fā)一種藥物平均要花費50億美元,而其中60%用于前期的研發(fā)成本。一種良好的人體器官模型將大大節(jié)省把一種新藥推進市場的成本和時間。”
研究人員設(shè)計的“心臟芯片”是一種心臟微生理學(xué)系統(tǒng),其三維結(jié)構(gòu)能和人類心臟的形狀結(jié)構(gòu)及結(jié)締組織纖維間隔相媲美。在裝載區(qū)(loading area)加入不同的心臟細(xì)胞(來自人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞),24小時內(nèi),它們開始以正常節(jié)律跳動,每分鐘55次至80次,這是正常成人的心律基準(zhǔn)。在血管模型細(xì)胞區(qū)兩邊的微流通道,能模擬營養(yǎng)和藥物在人體組織的交換。將來,還能監(jiān)控細(xì)胞是怎樣清除內(nèi)部的代謝廢物。
“這不是一個簡單的細(xì)胞培養(yǎng)器,把組織浸入靜止的液體中,”論文第一作者、海利實驗室博士后阿努拉格馬修說,“我們設(shè)計的這一系統(tǒng)是動態(tài)的,它實際上復(fù)制了我們體內(nèi)的組織,并曝露在營養(yǎng)和藥物中?!?nbsp;
研究人員用4種已知的心血管藥物:異丙腎上腺素、E-4031、維拉帕米和美托洛爾對該系統(tǒng)進行了測試,根據(jù)心律變化來檢測它們對藥物的反應(yīng)。比如異丙腎上腺素是治療心動過緩的,半小時后能使心律從每分鐘55次增加到124次。
研究人員指出,人工心臟組織的活性和功能可以保持幾周,在這段時間里,可用它測試多種藥物。這種心臟芯片調(diào)整后還能模擬人類遺傳疾病、篩查個人對藥物的反應(yīng)。他們還在研究該系統(tǒng)能否模擬多器官的相互作用。
“如果把心臟和肝臟組織連接起來,我們就能確定是否一種藥物一開始在心臟效果很好,卻在經(jīng)肝臟代謝以后變得有毒?!焙@f。