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作者：Alan Dove /文 李楠/译 来源： 发布时间：2019-1-8 14:55:2
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几十年来，实验室里的生物研究人员一直认为动物模型是一种无奈的杀戮。在一些激进人士以道德为理由对此进行谴责的同时，即使是最务实的研究人员也承认它们存在根本问题。实验动物很昂贵。而且从生物学实验的角度，它们只是人类不完美的替代品，因此在实验中会引入许多很难甚至无法控制的变量。这些缺陷并不局限于学术研究中。多年来，制药业研发人员一直在与后期研发失败艰苦斗争。在这个阶段，不止一种在不同动物模型中看起来很有希望的药物被证明无效，甚至对人类有毒。所以说，非人动物模型只是对人类生物学进行细致研究时的无奈选择。
得益于在其他领域取得的进展，这种严峻的形势开始发生改变。研究人员现在正在构建一个体外模拟的系统，可以减少甚至摆脱对实验动物的依赖，同时产生更好的数据。这个系统通过使用改进的生物传感器来监测微观区域；同时利用微流控设备来实现模拟，它结合了计算机芯片的微型化特点，并能够搭载活细胞和组织。
钻石做的传感器
药代动力学研究人员一直是动物模型改进事业最热心的支持者中的一员。理想情况下，研究人员想要知道一种药物在体内的详尽经历，从给药到代谢再到排泄的整个过程中，会去哪里，在什么时候，被以怎样的方式再加工。在实践中，这需要一些繁琐的技术，比如用药物处理许多动物，并在不同的时间牺牲它们进行分析。除了费力和昂贵之外，这些实验只粗略地测量了药物在不同时间和身体部位的代谢。
近年来，研究人员已经将微小的碳基电化学传感器植入动物体内，这些传感器可以实时测量单个动物的新陈代谢变化。它对大脑中的多巴胺和血清素水平等自然信号效果不错，但高背景噪音和低动态范围的碳基探头在研究药物代谢方面算不上好的选择。
化学家和生物学家正在合作克服这些限制。日本横滨庆应义塾大学的化学教授Yasuaki Einaga从事电化学传感器研究已有数十年。Einaga的团队发现掺杂硼的钻石探头特别擅长检测溶液中的电化学变化。他的团队成员在从污水处理到化学合成的体系中测试了这些探头。
“为了进一步探索它们的生物学应用，我们在2007年成功地把探头缩小到了微观尺度”，Einaga说。日本新泻大学医学院的分子生理学教授Hiroshi Hibino看到了该系统在药代动力学应用方面的潜力，并于2011年开始与Einaga合作。
这两个实验室后来发现，掺杂了硼的金刚石探头可以检测活体动物和移植器官中几类药物引起的电化学变化，并提供药物浓度的实时数据。“这些传感器可测量的药物数量远远超过任何传统电极。”Einaga说。例如，在最近的一篇论文中，研究团队精确测量了豚鼠内耳中利尿剂、抗惊厥药和化疗药物的浓度。
Hibino说：“我们有一个测试肾脏的计划，而且两组人在讨论进一步的合作，以开发一种植入式微传感系统来跟踪一种药物及其在诸如大脑等器官中的纵向影响。”他补充说，这两个实验室目前正在与其他研究人员进行讨论，他们希望将这项技术应用于从肿瘤学到精神药理学的各个领域。
控制管道的代码
改进后的生物传感器可以从每只动物身上提取更多更好的数据，而它们也可以与微流控装置结合，彻底取代动物实验，至少在某些类型的实验中是这样。微流控设备制造商借用电子工业的技术，在类似芯片的晶圆片上制造微型实验室。芯片的通道和腔体很小，这意味着流体可以快速通过。微流控装置还可以含有模拟生物腔隙的复杂结构，使培养的细胞行为上更加贴近自然状态。最后，这些芯片可以在半导体制造设备上大规模生产，使其价格相对低廉。
过去的几年里，生物学家已经建造了一系列越来越复杂的微流控设备，这些设备基本上已经可以视为人工的、微型化的人体器官。这些系统中内置的生物传感器可以帮助研究人员进行实时观察。例如，一个微小的人类肝脏或肾脏模型对不同剂量的药物进入有怎样的反应。
不过，这些新系统有可能令人望而生畏。“我们仪器供应商面临的最大挑战是推广，”法国巴黎Elveflowin公司的营销和销售主管Fabien Crespo表示。Crespo补充说：“人们对微流控设备有所疑虑，这很大程度上是由于它们复杂的管道。”
Elveflow和其他几家公司已经把这种微观的“管道”作为他们的主要关注点。Crespo说：“研究人员现在可以找到适合他们应用的微芯片，而我们提供控制其内部液体流动的全套方案。”由于微流控领域已经标准化了不同类型的芯片液流配件，一个液体处理系统就可以满足不断变化的实验室需求。例如，在Elveflow的设置中，一个鼠标操作的计算机界面就可以帮助研究人员构建控制液体流动的多步实验流程。更有经验的用户可以使用脚本接口以编程方式驱动系统。
这种灵活的、模块化的系统无疑是微流控技术如此受欢迎的原因之一。Crespo说：“我们看到这个领域有了很大的发展，尤其是在过去两年。”他补充说，虽然微流控的首批用户大多是学术界的研究人员，但工业界研究人员的需求也在不断增长。这可能是源于对开发新型临床前药物筛选方法的兴趣，但Crespo也预计微流控技术将在未来几年出现在快速医疗诊断测试中。
政府的参与
近10年前，通过基础研究和前瞻性的政府资助，微流控技术开始爆炸式发展。当一些学术实验室的研究人员开始构建“器官芯片”系统时，美国国立卫生研究院、美国食品和药物管理局和国防高级研究计划局的管理人员敏锐的注意到了这一点。“很明显，这将是一个很有前途的工具和技术。”美国国家转化科学发展中心（NCATS）副主任Danilo Tagle说。这个中心是美国国立卫生研究院的27个研究所和中心之一，而Tagle在其中负责特别项目的启动。
Tagle和在其他机构的同行们在2011年与研究人员召开了一次会议，讨论如何将新的组织和器官芯片转化为药物测试和监管批准的实用模型。Tagle说：“过去几年的大量研究表明，药物开发过程中，90%的损耗是由于在使用细胞培养系统和体内动物模型时未能准确预测安全性和有效性造成的。我们希望这些组织或器官芯片能够补充我们缺少的信息，以便在药物开发中提高成功率。”
为了实现这一目标，美国国立卫生研究院在2012年立项了用于药物筛选的组织芯片项目，并由国家转化科学发展中心负责管理。由几家学术实验室合作，该项目的五年目标是在芯片上建立器官，从而准确预测人类的药物反应。由该项目资助的研究人员必须研制某些设备，使细胞能够在模拟特定器官或组织的环境中存活，并结合生物传感器来测量细胞的生理机能。目前，该项目已经建立了几个独立的器官芯片检测中心，检测了100多种药物。这些药物都通过了传统的临床前测试，但在临床试验中却都失败了。“我们的问题是，‘一个给定的芯片能预测出2D培养系统和动物模型无法预测的不利事件吗？’”Tagle说。在这些测试中表现出色的器官芯片，可以在未来药企提交的监管文件中，用来补充甚至取代动物数据。
第一阶段的测试在7月结束，建立了几个在药物毒性测试方面很有前途的系统。接下来，组织芯片计划专注于药物疗效模型的开发。这些单器官和多器官系统将用于模拟特定疾病，包括帕金森氏症、肌萎缩侧索硬化症和骨关节炎。
深呼吸
与传统的细胞培养系统相比，器官芯片的主要优势在于能够模拟完整器官的复杂结构和动态。芯片制造商可以将微通道、曲线、孔洞和细胞层整合到一起，而不是局限于平整的固体表面。微流控设备可以依靠程序精确调控流体的特性增加技术的真实性，重新构建同类细胞在人体内可能遇到的各种力学环境。
肺作为一个很好的案例展示了这种方法会遇到的挑战和所具备的潜力。在人的肺里，细胞构成半透性的屏障，两边各不相同。这一屏障允许空气和血液之间的气体交换，同时保持两种流体的分离，还需承受每次呼吸的周期性收缩。哈佛大学Wyss研究所的研究人员在2010年首次用肺芯片模拟了这个系统。在马萨诸塞州的波士顿，Emulate公司正在继续研发这种芯片和其他器官芯片。
波士顿的团队并不孤单。瑞士伯尔尼AlveoliX公司的首席执行官Olivier Guenat说：“我们看到了来自Wyss研究所的这篇非常有趣的论文，我们想要进一步深入拓展这个概念。”Guenat也是伯尔尼大学ARTORG生物医学工程研究中心的一个课题组负责人，他的实验室与治疗肺部疾病的临床团队合作。
为了模拟肺的结构和三维形变，Guenat的团队开发了一个平台，将细胞植在含有规则间隔孔的薄硅胶层上。虽然只有3微米厚，但这些硅胶层仍然足够坚固，能够承受重复的、呼吸式的弯曲。完成这一目标后，Guenat说：“第二大挑战是，我们想要开发一些非常容易使用的东西。”
经过几次设计迭代后，AlveoliX公司现在有了一个原型系统，可以在标准尺寸的多孔板上运行12个肺芯片。这种安排使用户能够使用现有的显微镜、酶标仪和其他常见的实验室设备来处理和测试芯片。最终，“我们希望能够从病人身上提取细胞并进行测试，看看哪种治疗方法对那个病人最好，”Guenat说。
这种芯片还将被证明对临床前研究有用，使研究人员能够以远比在活体模型中更精确的方式控制流体流动、机械应力和其他参数，同时消除动物实验操作的挑战。Guenat说：“我想没有哪位生物学家喜欢杀动物，而且现在有了器官芯片，我们真的想减少动物实验。”
器官协奏曲
随着器官芯片日趋成熟，该领域的研究人员已经将微控体技术和生物传感器技术推进到下一个逻辑步骤：多器官系统。理论上，人们可以使培养基轻易的通过串联在一起的多个器官芯片，从而使药物和代谢产物在一个高技术建立的微型身体内循环。事实证明，做起来比说起来，挑战要大得多。
佛罗里达州奥兰多的Hesperos公司总裁兼首席执行官Mike Shuler说：“当有人想这么做，很多事情都可能成为问题。”这家公司专门生产多器官芯片系统。Shuler同时也是位于纽约伊萨卡的康奈尔大学的工程学教授，他说，即使是对多器官芯片系统非常熟悉的人也很难让它们运行起来。他表示：“当我将技术从自己的学术实验室转化到公司时，有时我们需要进行几次迭代才能使其正常工作。”
因此，Hesperos公司将多器官模型作为一种服务来提供，而不是试图将其作为独立产品来销售和支持。迄今为止，该公司已经与几家有兴趣在芯片上测试药物先导化合物的制药公司合作。Shuler介绍，Hesperos通常用四五个串联的器官芯片来构建系统。“肝脏几乎总是最关键的，其次是心脏和神经肌肉的连接……”他补充说，该公司还开发了包括人造皮肤、胃肠道和血脑屏障在内的系统。
最大的挑战之一是保持系统运行足够久以进行长时间的代谢测试。Shuler说：“我们试着把运行时间延长到28天。”在这个时间尺度上，细胞介质中氧气和二氧化碳的溶解度差异会导致气泡累积，扰乱系统中需要严格控制的流体流动。Hesperos公司为了解决这个问题，放弃了通常用来控制微流控装置的泵，转而使用精心设计的重力流系统。
随着这项技术的不断发展，微流控系统的支持者们预计，在未来几年里，微流控系统的受欢迎程度将大幅上升。Hesperos公司的首席科学官James Hickman表示：“我们已经参与到大大小小的制药公司的工作流程中，而且到目前为止，我们几乎已经实现人们为我们设定的每一个里程碑目标。”Shuler预计，人体器官芯片“会大大降低动物实验在整个药物研发过程中的重要性，它最终将取代动物，或大幅减少动物的使用，因为你可以直接获得人体系统的数据。”■
（译者李楠是老挝黄金赌场深圳先进技术研究院的副研究员）
作者Alan Dove是常驻马萨诸塞州的科学作家和编辑。
鸣谢：“原文由美国科学促进会（www.aaas.org）发布在2018年3月14日《科学》杂志”。官方英文版请见http://www.sciencemag.org/features/2018/03/vitro-veritas-biosensors-and-microarrays-come-life。
《科学新闻》 (科学新闻2018年12月刊 科学·生命)
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