模擬人類器官的晶片,能加速武漢肺炎藥物研發嗎?

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 19 日 8:30 | 分類 晶片 , 生物科技 , 醫療科技 Telegram share ! follow us in feedly


武漢肺炎疫苗研發競賽在今秋或迎來第一節點,除了中國研發隊伍,歐美研發團隊也瞄準 9 月推出應急用的疫苗。

面對 COVID-19 新冠病毒,難在短時間消滅、甚至有可能和人類永遠共存的病毒,顯然傳統藥物研發速度難以對抗。

為了追趕新冠病毒發生變異,搶先一步找到穩定部分,可有效免疫成為目前藥物與疫苗研發的關鍵,研究人員都希望速度能再快一點。

因此我們急需一種技術:縮短武漢肺炎藥物的研發週期,為臨床實驗增速,且能保證安全有效。目前名為「器官晶片」的前線技術正在發揮作用解決問題。

什麼是器官晶片

器官晶片(organs-on-a-chip)(以下簡稱 OOC)可理解為:在一塊晶片建造人體器官的機構與功能係統,模擬疾病發生,體外預測各種藥物或外界刺激後的各種反應。

這和細胞培養研究有相似之處,實際上 OOC 技術也確實是細胞培養研究經歷 100 多年後的進階版。

當然 OOC 變熱門也是因新藥研發的尷尬困局。和治療武漢肺炎的疫苗與藥物面臨的挑戰一樣,目前各種新藥的研發週期平均都在 10 年左右,且據 FDA 數據顯示,經過動物實驗驗證安全有限的藥物中,92% 都會在人體臨床時失效,高效低產是目前藥物研究領域的命運。

而 OOC 技術特性有機會扭轉這局面:不僅能讓科學家有機會透過顯微鏡看清細胞的病理變化,也能代替動物、人類進行藥物測試,並在早期篩選候選藥物的功效和毒性,加速藥物研發。

COVID-19 新冠病毒出現前,科學家已模擬多種人類器官「晶片」促進藥物開發和客製化醫學治療,像是肺、肝臟、眼睛、女性生殖系統等。

這是來自賓夕法尼亞大學實驗室的「眼動晶片」,與隱形眼鏡大小形狀相似,模擬人類眼睛的眼表狀態,包含角膜、結膜細胞。黃色是營養物質透過微流體通道傳向中間的「眼球」。研究人員還設計了會眨眼的眼瞼,以保持晶片表面潤滑。這些類眼晶片為眼部疾病建模,可在晶片進行藥物實驗和病理觀察。

▲ 眼動晶片。

這是西北大學的女性「生理期模型 EVATAR」,這巴掌大的物體第一眼看上去,更像電腦拆下來的零件。

晶片連接了 5 個微型器官細胞:輸卵管、子宮、陰道、卵巢和肝臟,會透過「泵」的作用攜帶藍色的模擬血液移動,模仿女性 28 天生理期週期生殖系統運轉,分析某些生理疾病。

▲ 生理期模型 EVATAR。

哈佛大學懷斯學院的「肺泡晶片」約拇指大小,上面構建充滿肺泡上皮細胞和空氣的黃色上部通道,和血液細胞的藍色下通道。他們利用看似簡單的晶片研究機械力對呼吸的影響,甚至也研究抽菸對支氣管上皮細胞的影響。

▲ 肺泡晶片。

上述這些模擬人體構造的器官晶片還有很多,OOC 將復雜的人體經過數理和建模拆解成一個個最小功能單元,將各個器官或細胞的運作過程曝光放大到晶片。

這是 OOC 的優勢但也是瓶頸,正如看到的,OOC 目前模擬的只是幾種人體細胞運作,雖然研究人員也試圖將這些器官晶片連起來,形成整合電路的微型器官系統,但複雜性還是離真正的器官很遠。

▲ 模擬心臟輸出的整合電路晶片系統。

器官晶片如何對抗 COVID-19

器官晶片 OOC 也加入這場全球性對抗 COVID-19 新冠病毒的藥物和疫苗研發。與藥物和疫苗不同,OOC 試圖從晶片找到打擊武漢肺炎的標靶。

為什麼 COVID-19 如此容易且迅速傳播?為何能快速攻破免疫系統侵入人體?目前仍未知。

為此加拿大研究人員在晶片創建鼻子、嘴、眼睛、肺部等模型,觀察新冠病毒如何攻破免疫系統。

這種觀察與實驗無法在人體操作,藉助晶片,研究人員能看到病毒感染 24 小時期間發生的變化,更長遠一點,可觀察長達 14 天潛伏期的一系列病變。

這項研究最大的挑戰就是在晶片模仿人類免疫系統,這是人體抵抗新冠病毒的關鍵,但人體免疫細胞如 T 細胞和 B 細胞,目前無法人工製造。

另外利用 OOC 技術研究對抗 COVID-19 的研究人員在用其他方式探索病毒,他們試圖建立血液檢測晶片,讀取感染武漢肺炎後會產生哪些細胞標誌物觸發免疫反應。不過研究人員表示,新冠病毒的狡猾之處在於變化速度相當快,發現最早的標誌物難度相當大。

與新冠病毒戰鬥的日子裡,想快速突破器官晶片的技術瓶頸相當困難,但這種技術或許能成為輔助手段。雖然 OOC 目前無法取代人體和動物實驗,但能成為某些測試階段很好的替代品,讓人們多一些機會抓住病毒的把柄,預測藥效的成敗。

新冠病毒為人們帶來疫苗與藥物研發的最高難題,也勢必推動顛覆性的科學技術快速向前跑。

(本文由 PingWest 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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