人類“器官芯片(organs-on-chips)”正在引領(lǐng)一場(chǎng)藥品安全測(cè)試的革命。這些裝置利用人體細(xì)胞對(duì)人體器官和組織的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行建模。以“器官芯片”來檢測(cè)藥物對(duì)不同器官的潛在影響，比傳統(tǒng)方法更快，此外，這種檢測(cè)方式可以減少對(duì)動(dòng)物研究的需要，并更好地預(yù)測(cè)哪些新藥能有效地治療人類疾病。

我們來自一個(gè)跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，目前正在研究一種腎臟芯片，為的是深入理解腎臟疾病的病理，以及尋找可以安全地治療此類疾病的藥物。

從歷史上看，新藥物的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)是在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的細(xì)胞中進(jìn)行的。如果一種藥物在試管中通過了最初的篩選試驗(yàn)，研究人員下一步將在活體動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，以確定一種新藥對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，而不是一次只使用一種細(xì)胞。最后，經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)室研究，研究人員將在人類身上測(cè)試一種有前景的新藥，以確定它是否安全有效。

問題是，這些藥物中有十分之九沒有通過有效測(cè)試(從小規(guī)模人體測(cè)試到病人)，因?yàn)樗鼈冏罱K證明是無效的或有毒的，即使它們?cè)谠缙跍y(cè)試中顯示出有希望的結(jié)果。

“器官芯片”有可能徹底改變這個(gè)系統(tǒng)。小到指甲大到信用卡一般的大小，“器官芯片”由流動(dòng)的通道和包含人類細(xì)胞樣本的小房間組成。全國(guó)各地實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“器官芯片”包括腎臟、肺、肝、腸、皮膚、大腦、心臟、骨骼和生殖系統(tǒng)。

在一個(gè)器官芯片上，流動(dòng)的液體為細(xì)胞提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)，類似于血液在人體中維持細(xì)胞的方式。正是這種持續(xù)流動(dòng)性使得這些設(shè)備變得特別。比起在沒有流動(dòng)的扁平培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的細(xì)胞，器官芯片上生長(zhǎng)的細(xì)胞更像人類器官中的細(xì)胞。

腎臟對(duì)人類的整體健康而言非常重要。這兩個(gè)拳頭大小的腎臟從身體中去除藥物和不需要的化合物，并在維持適當(dāng)?shù)柠}和水平衡、血壓、維生素D和骨骼健康方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。在某些情況下，遺傳條件甚至是常用的藥物都會(huì)損害腎臟。

在美國(guó)，15%的成年人患有腎病。但大多數(shù)人甚至都不知道，因?yàn)槟I臟疾病通常在病情非常嚴(yán)重之前不會(huì)出現(xiàn)任何癥狀。我們迫切需要了解腎臟疾病是如何開始的，以及開發(fā)新的安全和有效的治療方法。

在華盛頓大學(xué)，我們的“腎臟芯片”研究小組由來自不同學(xué)科的科學(xué)家組成，包括藥學(xué)、藥學(xué)、腎臟學(xué)(腎臟醫(yī)學(xué))、毒理學(xué)、生物化學(xué)和生物工程。我們的團(tuán)隊(duì)與當(dāng)?shù)匾患疑锛夹g(shù)公司Nortis公司合作，開發(fā)了一種小型設(shè)備——名片大小——最多有3個(gè)微型管道，每條管道的大小只有一滴水的千分之一，其中包含5000個(gè)人體腎臟細(xì)胞。當(dāng)少量的液體通過管道輸送時(shí)，腎臟細(xì)胞就會(huì)暴露在重要的信號(hào)中，這些信號(hào)可以幫助芯片中的細(xì)胞表現(xiàn)得像在活體腎臟里一樣。

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接觸到已知的腎臟毒素時(shí)，腎臟細(xì)胞會(huì)釋放出被稱為生物標(biāo)志物(biomarkers)的信號(hào)。我們的研究表明，芯片上的細(xì)胞釋放了在腎損傷患者的尿液中常見的損傷標(biāo)記。用舊的方法進(jìn)行測(cè)試，在培養(yǎng)皿上使用細(xì)胞，相同的治療過程中沒有顯示任何損傷。這表明，在預(yù)測(cè)一種新藥是否會(huì)對(duì)人體造成腎臟損害的情況下，“腎臟芯片”可能比現(xiàn)有的方法更好。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)取得了這些有希望的結(jié)果，全國(guó)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)開始將不同的器官連接起來，以復(fù)制一個(gè)更復(fù)雜的多器官系統(tǒng)，以便更深入地了解藥物是如何影響人類的。例如，我們能夠?qū)⒏闻K芯片連接到腎臟芯片上，以便了解一種用于草藥中的植物提取物(馬兜鈴酸，aristolochic acid )是如何損害了腎臟細(xì)胞。這種“芯片到芯片(chip-to-chip)”的研究進(jìn)一步證實(shí)了一種研究需要，即以相互連接的器官芯片來模擬人體中復(fù)雜機(jī)制。

在接下來的一年里，我們的腎臟芯片項(xiàng)目將會(huì)成為向國(guó)際空間站發(fā)送的數(shù)個(gè)項(xiàng)目之一，在那里，低重力加速了細(xì)胞的變化，有時(shí)會(huì)給宇航員帶來健康問題?？臻g站可能是一個(gè)完美的地方，可以在數(shù)周內(nèi)發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于腎臟疾病的信息，而不是幾年或幾十年。

器官芯片也可以被用來開發(fā)新的藥物靶點(diǎn)。我們的研究小組正在評(píng)估腎臟芯片作為一種工具的適用性，以用于對(duì)腎癌、多囊腎疾病和慢性腎臟疾病患者進(jìn)行藥物選擇和劑量的個(gè)性化治療。其他器官芯片實(shí)驗(yàn)室正在研究免疫系統(tǒng)、大腦、肺、心臟和血管的疾病。數(shù)十個(gè)研究小組正以合作的方式來開發(fā)這項(xiàng)新技術(shù)，以革新藥物發(fā)現(xiàn)，從而為所有人開發(fā)更好更安全的藥物。