用芯片模拟人体器官，为药物研发提速

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苏珊·杨 (SUSAN YOUNG) 卡亚那•萨顿 （KYANNA SUTTON）    2012-07-20 12:31:19

新研发出的微型设备可以模拟人体器官，为药物研发提供一个更逼真的环境。
研究的重要性：维斯研究所（Wyss Institute）研制出的器官芯片可以让培养的细胞表现得和体内细胞更加接近。这套设备可以提高药物研发的速度和成功率，还能减少动物试验。



芯片上的肠子  “芯片上的肠子”是维斯研究所为了让细胞生长在和器官相似的环境中而研发出的最新设备。这块芯片上有两条微流通道，被可以生长肠细胞的多孔膜分开。摄影：乔舒亚·图斯特（JOSHUA TOUSTER）

药厂测试新药的方法已经出现了问题，而唐纳德·因格贝尔（Donald Ingber）想出一个解决方法。

一般来说，科学家通过动物实验来对候选药物进行检测。但是在很多时候，“动物试验的结果却和人体试验结果不符。”哈佛大学维斯研究所（Wyss Institute）的主任因格贝尔表示。当然，一上来就直接进行人体试验风险确实太大。“为了解决这个问题，我们提出了一个用人类细胞进行研究的方法”，他说：“不过这些人类细胞并不是培养皿中的那种，而是具有身体器官的结构和功能特征。”

为了做到这一点，因格贝尔和他的团队正在研发一整套微型的设备，用来模拟器官在人体中的结构和环境，效果比简单的培养皿要更加逼真。

维斯研究所在微型芯片上培养出的第一个器官是一只可以呼吸的肺。这块透明的芯片大小和拇指相仿，由细胞亲和的材料制成，为生长中的人类肺部细胞提供了平台。在芯片的表面，有一些细小的管道穿过。其中，中央管道是肺部细胞生长的地方，空气和液体也从中流过。此外，科学家还可以向侧面的管道施加真空压力，这样中央管道就可以像人类的肺部一样扩大和收缩。研究团队发现，类似这样的机械力可以影响细胞的行为。就肺部细胞而言，机械呼吸可以让它们吸收流进气室中的粒子。

最近，维斯研究所又在微型芯片上培养出了人体肠道细胞。这些人体细胞排列在芯片的中央管道里。研究人员可以让它们进行波状的运动，模拟消化过程中的肠道运动。在芯片里，细胞可以形成指状的结构。这一结构名为肠绒毛，在人体中可以起到吸收营养和其他化合物的重要作用。不过，在培养皿中生长的肠道细胞却不会长出肠绒毛，说明对这些肠道细胞来说，微型芯片是比培养皿更加适宜的环境。科学家还可以在管道内培养肠道细胞的同时，生长常见的肠道细菌。因格贝尔介绍说，在培养皿中，细菌的数量压倒性地超过人体细胞的数量，“而现在我们可以研究复杂得多的相互作用了。”

每一块模拟器官的芯片都可以让科研人员研究更接近自然环境中的人体细胞，检验这些细胞对药物和毒素的反应。现在，因格贝尔正在尝试把几块不同的芯片连接在一起，并用更加完整的视角进行研究。因格贝尔和他的合作者相信，如果可以连接微流芯片上的心、肺、肠、肾，以及其他器官，他们就可以更好地研究各种身体中的各种过程，以及人体对不同化合物产生的反应。

维斯研究所的凯文·基特    ·帕克（Kevin Kit Parker）正展开一个项目，测试吸入性药物对心脏的副作用。这也是药物研发的一个长期问题。“心脏毒性实际上是药物研发失败的最主要的原因，哪怕这种药物的靶标并非心脏。”因格贝尔说。