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器官晶片模擬心臟組織,進行藥物測試

器官晶片
各種器官晶片示意圖。Credit: [email protected] Commons CC BY-SA 3.0

在藥物研發上,從培養皿的細胞實驗到動物實驗,似乎都不可或缺,但近年來,科學家也感受到動物實驗其實並不如預期理想,失敗機率高,畢竟在非人類動物體內和人體的藥物反應還是不同,可以說就是因為物種的基礎生理差異。例如說,心臟細胞傳遞電流的離子通道在人體內就與其他動物的不同,如果藥物原始設計是要作用在這些通道上,那麼動物實驗的結果就不可信。因此,科學家開發一種將器官和組織結構建立在晶片般大小裝置上的技術,稱作「器官晶片」(organ on a chip),取代部份的動物實驗,如此有機會減少動物實驗的數量,更重要的是,這樣的設計可以更精準。

Heart on a Chip

美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)的工程師,運用這種想法,開發了「心臟晶片」(heart on a chip),也就是模擬心臟細胞組織狀況的裝置。這個裝置是約一英吋長的矽膠裝置,上有心肌細胞,成功地模擬心臟組織,同時證實了這個系統用在心臟用藥物的可行性。這套系統上面植入的細胞,是人體誘發的「多功能幹細胞」(human-induced pluripotent  stem cells)分出的心臟細胞,這種「成體幹細胞」(adult stem cell)可以誘發成非常多種類的組織。在三維結構上,這個晶片模擬的心臟為生理系統,在幾何、組織纖維間隙和連結性都等同於人體心臟。研究員將分化出來的人體心臟細胞放入承載區域,可以想像為如同尖峰時刻乘客上捷運車廂這種方式,因為這個系統幾何設計,讓這些細胞可以單一方向、多層排列。而在細胞區域兩側的微流道,如同血管,模擬養分和藥物交換。未來,這種設計也允許研究員監測如何移除細胞的代謝產物。

藥物反應測試

在將細胞移植到這個系統後24小時內,細胞便開始正常跳動,約每分鐘55到80下。接著研究員用這個系統測試四種常用的心臟藥物isoproterenol、E-4031、verapamil、metoprolol。然後量測這四種藥物對心臟組織跳動的影響,來表示對這些藥物的反應。給予藥物isoproterenol半小時之後,研究員發現跳動從55下增加到124下。

看來,實驗單一器官-心臟,已經很成功,下一步是希望可以做到多器官間彼此影響的測試,例如,連結肝臟和心臟,看看已知在心臟作用得很好的藥物,是否在到達肝臟之後會代謝出什麼有毒性的物質。

現在平均一項藥物的開發約有30億美元花費在研發上,這樣的鉅資,如果能有良好的人體器官模擬系統,像這種「實驗室晶片」(lab on a chip)的裝置,將可以節省很大的花費和時間,同時也減少動物實驗,讓藥物開發減少更多生命的犧牲。

註: 器官晶片主要應用在器官發生學、致病機制、新藥開發…等等方面

文章參考:UC Berkeley
圖片來源:Timothy.ruban@Wikimedia Commons  CC BY-SA 3.0
原文參考:Scientific Reports

【作者簡介】 BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章要有邏輯,藉由報導、解析生醫領域的創新和應用來傳播知識。

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