Science醫學突破：芯片上的肺

　　來自哈佛大學Wyss生物工程研究所的研究人員在排列人類活細胞的微型芯片上模擬了肺水腫。正如發表《科學轉化醫學》(Science Translation Medicine)雜志上的論文所報道，他們利用這種“芯片上的肺”(lung-on-a-chip)研究了藥物的毒性并確定了防止這種威脅生命的疾病的潛在新治療。

　　這一研究提供了進一步的概念證明“芯片上的器官”(organs-on-chips)擁有巨大的潛力替代傳統方法進行藥物發現和開發。

　　研究的資深作者、Wyss生物工程研究所創始主任Donald Ingber博士說：“大型制藥公司花費很多的時間和大量的金錢在細胞培養物和動物測試上以開發新藥。但這些方法往往無法預測這些藥物對于人體的影響。”

　　研究小組于2年前首次描述的這種lung-on-a-chip是一種透明、柔性的多聚物，大約一個記憶棒大小，包含空心通道，采用計算機微芯片制造技術制成。兩個通道用一種薄的柔性的多孔膜分隔，一面排列來自氣囊的人類肺細胞并暴露于空氣中;另一面上放置人類毛細血管血液細胞，培養液留過它們的表面。向側通道施加真空使這一組織間的界面變形重建呼吸時人類肺組織的物理擴張和收縮。

　　Wyss技術開發人員Dongeun Huh博士在“芯片上的肺”中研究了一種稱作IL-2的癌癥化療藥物。IL-2的主要毒副作用是肺水腫，這是一種肺臟中充滿液體和血凝塊的致病性疾病。

　　當將IL-2注入到lung-on-a-chip的血液通道中，液體漏過膜及兩個組織層，減少了另外一個通道中的空氣量，損害了氧運輸――就像當以相等劑量，相同的時間過程內在人類患者肺臟中的情形。血漿蛋白還進入到空氣通道，導致空氣空間中形成血凝塊，如同用IL-2治療的人類中所發生的。

　　研究結果表明呼吸的物理行為大大地促進了IL-2在肺水腫中的效應――“一些臨床醫生和科學家們從來沒有懷疑過的東西，”Ingber說。當研究小組接通開啟在芯片上的真空模擬呼吸，當用臨床相關IL-2劑量治療時液體滲漏增高了3倍，Wyss研究小組在肺氣腫的動物模型中證實發生了同樣的反應。這一結果有可能表明醫生用IL-2治療戴上呼吸器的患者，應該減少壓入肺中空氣的潮氣量以減少這一藥物的副作用。

　　對于未來的藥物測試最令人興奮的是Wyss研究小組發現“這種芯片上人類肺水腫模型可用于體外鑒別新的潛在治療藥物，”Ingber說。在 lung-on-a-chip疾病模型中的肺水腫癥狀可通過葛蘭素史克公司(GSK)開發的一類新藥TRPV4通道阻滯劑來治療。在發表于同一雜志的另一項研究中，GSK的研究小組采用一種由心衰引起的肺水腫動物模型證實了TRPV4抑制在減輕肺水腫上的積極效應。

　　“在短短兩年多的時間內，我們從初步的lung-on-a-chip設計進展至證實它模擬一種復雜人類疾病的潛力，它讓人們大概了解了未來藥物發現和開發有可能是什么樣，”Ingber說。

　　“芯片上的器官代筆了一種模擬人類器官結構、生物學和功能的新方法，這一點通過這一工程肺的復雜呼吸行為得到了證實。這種呼吸行為是重要的，提供了肺水腫病因學的新認識。這些結果為更廣泛地利用這種微系統研究疾病病理學提供了支持，并有希望鑒別出新的治療靶點，”NIH項目協調、規劃和戰略行動部主任James M. Anderson博士說。