即插即用可定制多器官芯片演绎人体原理

哥伦比亚大学工程系和医学中心的一组研究人员报告说，他们开发了一种多器官芯片形式的人体生理模型，由经过工程改造的人体心脏，骨骼，肝脏和皮肤组成，流经循环免疫细胞的血管，再现相互依赖的器官功能。

研究人员创造的即插即用多器官芯片只有显微镜载玻片大小，可以为患者定制由于疾病进展和对治疗的反应因人而异，这种芯片最终将为每个患者提供个性化的治疗这项研究发表在4月27日的《自然生物医学工程》杂志上

受人体的启发

组织工程已经成为疾病建模和在人类环境中测试药物疗效和安全性的关键组成部分研究人员面临的一个主要挑战是如何使用各种能够进行生理交流的工程组织来模拟身体功能和全身性疾病，就像在体内一样但是每个工程组织都必须提供自己的环境，使特定的组织表型能够维持几个星期到几个月，满足生物学和生物医学研究的要求为了使挑战更加复杂，需要将组织模块连接在一起，以促进它们的生理交流，这对于多器官系统的建模是必要的

研究团队从人体的工作原理中获得灵感，构建了一个人体组织芯片系统，在这个系统中，他们通过循环血管将成熟的心脏，肝脏，骨骼和皮肤组织模块连接起来，这样相互依赖的器官就可以像在人体中一样研究人员选择这些组织是因为它们具有明显不同的胚胎起源，结构和功能特征，并且受到癌症治疗药物的影响

该模块可维护一个月以上。

研究小组创建了组织模块，每个模块都处于优化的环境中，并通过选择性渗透的内皮屏障将它们与普通血管流分开个体组织环境可以穿过内皮屏障，通过血管循环进行交流研究人员还将产生巨噬细胞的单核细胞引入血液循环，因为它们在指导组织对损伤的反应和疾病的疗效方面起着重要作用

所有组织均来自同一系人类诱导多能干细胞，从少量血液样本中获得，以证明个体化和患者特异性研究的能力而且，为了证明该模型可以用于长期研究，团队在通过血管灌注连接后，将已经生长成熟4至6周的组织再维持4周

研究人员还展示了该模型如何用于研究人类环境中的重要疾病，以及检查抗癌药物的副作用他们研究了多柔比星对心脏，肝脏，骨骼，皮肤和血管系统的影响他们表明，测试结果总结了临床研究报告对相同药物治疗癌症的影响

用这个模型研究抗癌药。

同时，该团队开发了一种新的多器官芯片计算模型，用于药物吸收，分布，代谢和分泌的数学模拟该模型正确地预测了多柔比星将被代谢成多柔比星并扩散到芯片中在未来其他药物的药代动力学和药效学研究中，多器官芯片和计算方法的结合为临床前向临床外推提供了改进的基础，同时改进了药物开发流程

研究人员表示，新技术可以识别心脏毒性的一些早期分子标记，这是限制药物广泛使用的主要因素最值得注意的是，多器官芯片可以准确预测心脏毒性和心肌病，这通常需要临床医生减少阿霉素的治疗剂量，甚至停止治疗

研究小组目前正在使用这种芯片的变体进行研究，所有这些都是在个性化的患者特定环境中进行的如乳腺癌转移，前列腺癌转移，白血病，辐射对人体组织的影响，新冠肺炎对多个器官的影响，缺血对心脑的影响以及药物的安全性和有效性该研究小组还在为学术和临床实验室开发一种用户友好的标准化芯片，以帮助充分利用其潜力来推进生物和医学研究

我们对这种方法的潜力感到兴奋，研究人员说它是专门为研究与损伤或疾病相关的系统性疾病而设计的，将使我们能够保持工程化人类组织的生物学特征和交流一次一个病人，从炎症到癌症