科学家用“芯片”模拟人体器官,仿造肺、眼睛、子宫外还挑战免疫系统

新冠病毒感染力强、变异性也高,疫苗研发的速度要赶上病毒发生变异的脚步相当困难。为了让临床实验的速度加快,欧美医学中心开始使用这种“器官芯片”,模拟人体反应,加快药物研发的速度。

新冠疫苗的研发竞赛在今年秋季或将迎来第一个节点,除了稳速领跑的中国研发队伍以外,欧美国家的研发团队也瞄准了9月带来能够紧急投入使用的疫苗。

面对COVID-19新冠病毒,这一难以在短时间内消灭,甚至有可能和人类永远共存的病毒,显然传统的药物研发速度难以抵抗。

为了追赶新冠病毒再发生变异的脚步,抢先一步地找到其稳定的部分进行有效免疫成为当下药物与疫苗研发的关键,而科研人员们都希望这个速度能够再快一点。

因此我们急需一种技术:能够缩短新冠药物的研发周期,为临床实验提速,并且能够保证足够的安全有效。目前,一种名为“器官芯片”的前沿技术正在发挥作用解决这些问题。

什么是“器官芯片”?

器官芯片“organs-on-a-chip”(以下简称OOC),可以把这种技术形象的理解为:在一块芯片上建造人体器官的机构与功能系统,模拟疾病发生,以此体体外预测各种药物或者外界刺激下的各种反应。

这和细胞培养研究很有相似之处,而实际上OOC的技术也确实是细胞培养研究再经历了100多年后的高端版。

当然OOC成为热门也是因为新药研发的尴尬困局。和治疗新冠的疫苗与药物面临的挑战一样,目前各种新药的研发周期平均都在10年左右,且据FDA的数据报告显示经过动物实验验证安全有限的药物中,92%都会在人体临床中失效,高效低产是目前药物研究领域的命运。

“器官芯片”能做什么?

而OOC的技术特性有机会扭转这种局面:它不仅能让科学家们有机会通过显微镜看清细胞的病理变化;也能够代替动物、人类进行药物测试;并在早期筛选候选药物的功效和毒性,为药物研发全面提速。

在COVID-19新冠病毒出现之前,科学家们已经模拟出了多种人类器官的“芯片”来促进药物开发和个性化医学治疗,像是人体的肺、肝脏、眼睛、女性生殖系统等。

这是来自宾夕法尼亚大学实验室的“眼动芯片”。它和隐形眼镜大小形状相似,模拟人类眼睛的眼表状态,包含角膜、结膜细胞。黄色是营养物质正通过微流体信道传向中间的“眼球”。研究人员还设计了一个会眨眼的眼睑,以保持芯片表面保持润滑。这些类眼芯片为眼部疾病建模,可以在芯片上进行药物实验和病理观察。

这是西北大学的女性“月经模型EVATAR”,的确这个巴掌大的东西第一眼看上去它更像是某个计算机上拆下来的零件。

芯片上其实连接了五个微型器官的细胞:输卵管、子宫、阴道、卵巢和肝脏。它们会通过“泵”的作用携带蓝色的模拟血液移动,来模仿女性28天的月经周期生殖系统运转,以此阐明一些生理疾病。

哈佛大学怀斯学院的“肺泡芯片”大概只有拇指大小,上面构建了充满了人肺泡上皮细胞和空气的黄色上部信道,和血液细胞的蓝色下信道。他们利用这个看似简单的芯片研究机械力对于呼吸的影响,甚至也用它研究了吸烟过程中对支气管上皮细胞的影响。

类似上面这些模拟人体构造的器官芯片还有很多,OOC将复杂的人体经过数理和建模拆解成一个个最小功能单元,将各个器官或者说是细胞的运行过程曝光且放大到芯片上。

这是OOC的优势但也同样是它的瓶颈,正如我们看到的,OOC目前模拟的只是几种人体细胞的运行,虽然研究人员也在试图将这些器官芯片连接起来,形成一个集成电路中的微型器官系统,但它的复杂性离真正的器官还很远。

最大挑战:模拟人体免疫系统

器官芯片OOC也加入了这场全球性的抗击COVID-19新冠病毒的药物和疫苗研发中。它与药物和疫苗不同,OOC试图从芯片上找到打击新冠病毒的靶点。

为什么COVID-19能够如此容易并且迅速的传播?为何能快速打破免疫系统屏障侵入人体?目前仍然是未知。

为此来自加拿大的一组科研人员,正在芯片上创建:鼻子、嘴、眼睛、肺部的模型,用来观察新冠病毒如何打破这些保护屏障进入体内。

这种观察与实验是无法在人体操作的,借助这些芯片,科研人员能够看到病毒感染24小时期间发生的变化,更长远一点的话,可以观察到长达14天潜伏期发生的一系列病变。

而这项研究面临最大的挑战就是在芯片上模仿人类的免疫系统,这是人体抵抗新冠病毒做出反应的关键,而人体免疫细胞像是T细胞和B细胞,目前无法人工制造。

另外利用OOC技术研究对抗COVID-19的研究人员在用其他方式探索病毒,他们试图创建一种血液的检测芯片,来读取感染新冠后会产生哪些细胞标志物来激活免疫反应。不过研究人员表示,新冠病毒的狡猾之处在于它的变化速度相当快,发现最早的标志物难度相当大。

在与新冠病毒竞赛争分夺秒战斗的日子里,显然想要快速突破器官芯片的技术瓶颈相当之难,但是这种技术或许能成为一种辅助手段。虽然器官芯片OOC目前无法取代人体和动物实验,但它能够成为某些测试阶段很好的替代品,让人们能够多一些机会抓住病毒的把柄,预测药效的成败。

新冠病毒为人们带来疫苗与药物研发的最高难题,但也势必会推动颠覆性的科学技术快速向前跑。

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