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bc体育滚球app器官芯片助力新药开发QUN医用空气消

浏览量: 166   时间:2020-01-08  作者:bc体育滚球app

bc体育滚球app醫用空氣消毒機廠家上世紀90年代,研究微全分析系統(MicroTotalAnalysisSystems,μTAS)的科學家們提出了基于微流控技術的器官芯片(organ-on-a-chip)概念。做為一種潛在的細胞試驗新型工具,在器官芯片研究之初主要是將概念落地,還遠沒有達到實際應用的目標。近年來,隨著技術的成熟,越來越多的資金投入到這一領域,應用前景也明朗起來。本文對器官芯片目前的技術發展現狀,以及如何參與藥物研發和應用中遇到的問題做了整理。微流控技術整合了微米/納米技術、化學感應器和分析化學技術。微流控裝置通常由像照平印法或軟印法等半導體微制造技術制成,可以用于微通道或微結構的化學分析,又被稱為“芯片實驗室”(Lab-on-a-chip)。就像上面所述,體外細胞評價體系存在細胞失活和生理功能缺失等不足,即使是原代培養細胞也有這些現象。同時,經典方法的細胞培養環境是相對靜態的,待測藥物加樣后主要通過被動擴散進入細胞,這與體內的真實情況差別較大。在體內細胞既可以通過血液獲得氧氣和營養,也會接受化學和生理的刺激,比如其微環境帶來的細胞拉伸和剪應力等。這些體內外從形態到環境的差異導致了所培養細胞系的功能缺失,為了填補這一巨大空隙,從2000年開始μTAS和組織工程學的研究人員聯手開發基于微流控技術的細胞裝置,充分發揮其具有液體共振、細胞粘附、機械刺激等優勢來復制組織功能,形成了現在的器官芯片的雛形。近年來微制造、細胞工程學、成像技術的發展幫助器官芯片成為體外仿生的創新技術,吸引了美國NIH、FDA、歐洲和日本等政府和機構的資金支持。特別是隨著誘導性多能干細胞(iPS)技術的發展,將器官芯片作為組織模型或疾病模型已廣泛應用于新藥研發中。芯片肺在器官芯片中發展的最早,這種微流控細胞裝置又被稱為“會呼吸的肺”。哈佛大學的Ingber研究團隊發明的芯片肺主要包括一個雙層通道結構,由硅樹脂和多聚二甲基硅氧烷組成的微孔膜垂直隔開。膜的上層是肺泡上皮細胞,下層是血管內皮細胞,分別給予流動空氣和培養基來。除了復制肺細胞的功能,這層微孔膜還可以在兩側通道內部壓力改變的作用下做周期性的收縮,模擬肺泡在呼吸時的生理性舒張和收縮運動。利用這種芯片肺,研究人員發現血管內皮細胞在暴露于TNF-α和細菌環境下能夠做出炎癥應激并高表達ICAM-1。在另一項毒性評價中,微膜在舒展狀態下,納米微粒能夠更多的攝取到血管一側,這與動物實驗的觀察一致。以上研究都表明芯片肺作為體外疾病模型可以滿足新藥開發的需求。醫用空氣消毒機廠家肝臟在藥物代謝過程中所發揮的重要作用不需贅述,新藥開發過程中準確預測肝臟對藥物的代謝能力和藥物在肝臟中的毒性蓄積非常重要。目前的體外實驗中所用肝細胞的酶活和功能有缺失。研究團隊用微流控技術構建了三維形態學結構的芯片肝臟,并使其處于持續的灌注狀態下。這一裝置的每個通道由一個具有留存細胞功能的濾膜和一個細胞培養腔體組成,培養基從上至下灌注每一個通道。根據估算出的細胞耗氧值設置流速,以提供符合生理范圍的流體剪應力。研究證明這種芯片肝臟能夠使細胞聚集生成肝腺泡結構,并在兩周內保持結構及相應的生理功能。除了結構要盡量仿生,保持肝細胞的極性轉運能力也很重要。以中央靜脈為中心,肝細胞呈放射狀排列成肝細胞索,相鄰的肝細胞之間有膽小管,膽汁通過膽小管匯集起來最終通過膽管排泄。膽汁中有很多在肝臟中生物轉化而來的藥物代謝產物,經過膽管排泄。因此,膽汁排泄在藥物代謝體外研究中是個重要內容。Nakao和他的團隊發明了一個體外肝小葉模型裝置,可以復制肝細胞索的功能。這個裝置的細胞培養區將肝細胞平行排成兩列,形成與肝細胞索相似的結構。研究發現這些整齊排列的細胞能夠沿著細胞索生長形成膽管結構。研究人員利用藥物CDFDA來測試該芯片的代謝功能,CDFDA能夠在肝酯酶的作用下代謝為一種熒光產物CDF,再通過膽汁排泄。載有CDFDA的培養基流過該裝置的血管通道后,在細胞形成的“膽管”結構中檢測到了CDF。這一結果證明應用微流控技術制造的芯片肝臟可以模擬組織形態及相應的生理功能。腎臟在體內負責藥物代謝和排泄。在臨床前篩選階段,評價候選化合物的腎臟蓄積和毒性通常要做動物體內實驗,目前還沒有更好的體外模型。由種屬腎毒性差異造成的藥物失敗也不在少數,發展出高效準確的體外腎毒性評價體系是新藥研發迫切需要的。進一步說,如果有一個體外模型不僅能夠預測腎毒性,還能反應腎臟疾病背后的機理,用于相關藥物的篩選,則是更好不過了。時下的芯片腎臟是在芯片微通道底層鋪就MDCK細胞系和人源HK-2細胞系,再施以相應的剪應力。研究表明這種細胞構造可以逐漸呈現厚度增加,Na/KATP酶表達提高和纖毛形成,基本達到模擬腎細胞生理功能的目的。另一種模擬腎小管重吸收的微孔膜芯片模型,是通過在基底側通道加入等激素,制造基頂側包括鹽濃度和滲透壓改變的生理應激。研究人員發現剪應力不僅能調整細胞生長方向,還能促進Pgp蛋白的表達、纖毛生長和細胞白蛋白葡萄糖的吸收。Musah團隊利用微流控技術和人源iPS衍生的足狀突細胞復制了腎小球結構。能夠模仿包括剪應力的生理功能,可以作為體外腎臟模型篩選癌癥藥物。以上結果說明即便結構和功能復雜如腎臟,利用微流控芯片技術也能得到保持基本腎臟功能的體外模型。醫用空氣消毒機廠家主要負責消化和吸收的組織器官,腸道特別是小腸對口服藥物起到屏障的作用,預測其吸收功能對新藥研發十分重要。研究團隊發明了一種搭載光探測系統的小腸芯片裝置。包括兩個膜上培養細胞的微孔膜隔開的獨立腔體,該腸芯片具有轉運體功能,可以評價藥物的吸收,研究團隊發明的芯片腸道能夠模擬剪應力和周期性拉伸等生理刺激,暴露在這種仿生環境里的細胞能夠自發生長出絨毛并進行細胞分化。為了復制更復合體內的生理環境,研究人員又將這一系統的腸道細胞與很多共生菌一起孵育。改進的芯片腸道能夠得到與之前動物實驗或人體實驗相同的結果。