幾十年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室里的生物研究人員一直認(rèn)為動(dòng)物模型是一種無(wú)奈的殺戮。在一些激進(jìn)人士以道德為理由對(duì)此進(jìn)行譴責(zé)的同時(shí)，即使是最務(wù)實(shí)的研究人員也承認(rèn)它們存在根本問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物很昂貴。而且從生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的角度，它們只是人類不完美的替代品，因此在實(shí)驗(yàn)中會(huì)引入許多很難甚至無(wú)法控制的變量。這些缺陷并不局限于學(xué)術(shù)研究中。多年來(lái)，制藥業(yè)研發(fā)人員一直在與后期研發(fā)失敗艱苦斗爭(zhēng)。在這個(gè)階段，不止一種在不同動(dòng)物模型中看起來(lái)很有希望的藥物被證明無(wú)效，甚至對(duì)人類有毒。所以說(shuō)，非人動(dòng)物模型只是對(duì)人類生物學(xué)進(jìn)行細(xì)致研究時(shí)的無(wú)奈選擇。
得益于在其他領(lǐng)域取得的進(jìn)展，這種嚴(yán)峻的形勢(shì)開始發(fā)生改變。研究人員現(xiàn)在正在構(gòu)建一個(gè)體外模擬的系統(tǒng)，可以減少甚至擺脫對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的依賴，同時(shí)產(chǎn)生更好的數(shù)據(jù)。這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)使用改進(jìn)的生物傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)微觀區(qū)域；同時(shí)利用微流控設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬，它結(jié)合了計(jì)算機(jī)芯片的微型化特點(diǎn)，并能夠搭載活細(xì)胞和組織。
鉆石做的傳感器
藥代動(dòng)力學(xué)研究人員一直是動(dòng)物模型改進(jìn)事業(yè)最熱心的支持者中的一員。理想情況下，研究人員想要知道一種藥物在體內(nèi)的詳盡經(jīng)歷，從給藥到代謝再到排泄的整個(gè)過(guò)程中，會(huì)去哪里，在什么時(shí)候，被以怎樣的方式再加工。在實(shí)踐中，這需要一些繁瑣的技術(shù)，比如用藥物處理許多動(dòng)物，并在不同的時(shí)間犧牲它們進(jìn)行分析。除了費(fèi)力和昂貴之外，這些實(shí)驗(yàn)只粗略地測(cè)量了藥物在不同時(shí)間和身體部位的代謝。
近年來(lái)，研究人員已經(jīng)將微小的碳基電化學(xué)傳感器植入動(dòng)物體內(nèi)，這些傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量單個(gè)動(dòng)物的新陳代謝變化。它對(duì)大腦中的多巴胺和血清素水平等自然信號(hào)效果不錯(cuò)，但高背景噪音和低動(dòng)態(tài)范圍的碳基探頭在研究藥物代謝方面算不上好的選擇。
化學(xué)家和生物學(xué)家正在合作克服這些限制。日本橫濱慶應(yīng)義塾大學(xué)的化學(xué)教授Yasuaki Einaga從事電化學(xué)傳感器研究已有數(shù)十年。Einaga的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)摻雜硼的鉆石探頭特別擅長(zhǎng)檢測(cè)溶液中的電化學(xué)變化。他的團(tuán)隊(duì)成員在從污水處理到化學(xué)合成的體系中測(cè)試了這些探頭。
“為了進(jìn)一步探索它們的生物學(xué)應(yīng)用，我們?cè)?007年成功地把探頭縮小到了微觀尺度”，Einaga說(shuō)。日本新瀉大學(xué)醫(yī)學(xué)院的分子生理學(xué)教授Hiroshi Hibino看到了該系統(tǒng)在藥代動(dòng)力學(xué)應(yīng)用方面的潛力，并于2011年開始與Einaga合作。
這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室后來(lái)發(fā)現(xiàn)，摻雜了硼的金剛石探頭可以檢測(cè)活體動(dòng)物和移植器官中幾類藥物引起的電化學(xué)變化，并提供藥物濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。“這些傳感器可測(cè)量的藥物數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何傳統(tǒng)電極。”Einaga說(shuō)。例如，在最近的一篇論文中，研究團(tuán)隊(duì)精確測(cè)量了豚鼠內(nèi)耳中利尿劑、抗驚厥藥和化療藥物的濃度。
Hibino說(shuō)：“我們有一個(gè)測(cè)試腎臟的計(jì)劃，而且兩組人在討論進(jìn)一步的合作，以開發(fā)一種植入式微傳感系統(tǒng)來(lái)跟蹤一種藥物及其在諸如大腦等器官中的縱向影響。”他補(bǔ)充說(shuō)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室目前正在與其他研究人員進(jìn)行討論，他們希望將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于從腫瘤學(xué)到精神藥理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。
控制管道的代碼
改進(jìn)后的生物傳感器可以從每只動(dòng)物身上提取更多更好的數(shù)據(jù)，而它們也可以與微流控裝置結(jié)合，徹底取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，至少在某些類型的實(shí)驗(yàn)中是這樣。微流控設(shè)備制造商借用電子工業(yè)的技術(shù)，在類似芯片的晶圓片上制造微型實(shí)驗(yàn)室。芯片的通道和腔體很小，這意味著流體可以快速通過(guò)。微流控裝置還可以含有模擬生物腔隙的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使培養(yǎng)的細(xì)胞行為上更加貼近自然狀態(tài)。最后，這些芯片可以在半導(dǎo)體制造設(shè)備上大規(guī)模生產(chǎn)，使其價(jià)格相對(duì)低廉。
過(guò)去的幾年里，生物學(xué)家已經(jīng)建造了一系列越來(lái)越復(fù)雜的微流控設(shè)備，這些設(shè)備基本上已經(jīng)可以視為人工的、微型化的人體器官。這些系統(tǒng)中內(nèi)置的生物傳感器可以幫助研究人員進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。例如，一個(gè)微小的人類肝臟或腎臟模型對(duì)不同劑量的藥物進(jìn)入有怎樣的反應(yīng)。
不過(guò)，這些新系統(tǒng)有可能令人望而生畏。“我們儀器供應(yīng)商面臨的最大挑戰(zhàn)是推廣，”法國(guó)巴黎Elveflowin公司的營(yíng)銷和銷售主管Fabien Crespo表示。Crespo補(bǔ)充說(shuō)：“人們對(duì)微流控設(shè)備有所疑慮，這很大程度上是由于它們復(fù)雜的管道。”
Elveflow和其他幾家公司已經(jīng)把這種微觀的“管道”作為他們的主要關(guān)注點(diǎn)。Crespo說(shuō)：“研究人員現(xiàn)在可以找到適合他們應(yīng)用的微芯片，而我們提供控制其內(nèi)部液體流動(dòng)的全套方案。”由于微流控領(lǐng)域已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了不同類型的芯片液流配件，一個(gè)液體處理系統(tǒng)就可以滿足不斷變化的實(shí)驗(yàn)室需求。例如，在Elveflow的設(shè)置中，一個(gè)鼠標(biāo)操作的計(jì)算機(jī)界面就可以幫助研究人員構(gòu)建控制液體流動(dòng)的多步實(shí)驗(yàn)流程。更有經(jīng)驗(yàn)的用戶可以使用腳本接口以編程方式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
這種靈活的、模塊化的系統(tǒng)無(wú)疑是微流控技術(shù)如此受歡迎的原因之一。Crespo說(shuō)：“我們看到這個(gè)領(lǐng)域有了很大的發(fā)展，尤其是在過(guò)去兩年。”他補(bǔ)充說(shuō)，雖然微流控的首批用戶大多是學(xué)術(shù)界的研究人員，但工業(yè)界研究人員的需求也在不斷增長(zhǎng)。這可能是源于對(duì)開發(fā)新型臨床前藥物篩選方法的興趣，但Crespo也預(yù)計(jì)微流控技術(shù)將在未來(lái)幾年出現(xiàn)在快速醫(yī)療診斷測(cè)試中。
政府的參與
近10年前，通過(guò)基礎(chǔ)研究和前瞻性的政府資助，微流控技術(shù)開始爆炸式發(fā)展。當(dāng)一些學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究人員開始構(gòu)建“器官芯片”系統(tǒng)時(shí)，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院、美國(guó)食品和藥物管理局和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的管理人員敏銳的注意到了這一點(diǎn)。“很明顯，這將是一個(gè)很有前途的工具和技術(shù)。”美國(guó)國(guó)家轉(zhuǎn)化科學(xué)發(fā)展中心（NCATS）副主任Danilo Tagle說(shuō)。這個(gè)中心是美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的27個(gè)研究所和中心之一，而Tagle在其中負(fù)責(zé)特別項(xiàng)目的啟動(dòng)。
Tagle和在其他機(jī)構(gòu)的同行們?cè)?011年與研究人員召開了一次會(huì)議，討論如何將新的組織和器官芯片轉(zhuǎn)化為藥物測(cè)試和監(jiān)管批準(zhǔn)的實(shí)用模型。Tagle說(shuō)：“過(guò)去幾年的大量研究表明，藥物開發(fā)過(guò)程中，90%的損耗是由于在使用細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)和體內(nèi)動(dòng)物模型時(shí)未能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)安全性和有效性造成的。我們希望這些組織或器官芯片能夠補(bǔ)充我們?nèi)鄙俚男畔ⅲ员阍谒幬镩_發(fā)中提高成功率。”
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院在2012年立項(xiàng)了用于藥物篩選的組織芯片項(xiàng)目，并由國(guó)家轉(zhuǎn)化科學(xué)發(fā)展中心負(fù)責(zé)管理。由幾家學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室合作，該項(xiàng)目的五年目標(biāo)是在芯片上建立器官，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人類的藥物反應(yīng)。由該項(xiàng)目資助的研究人員必須研制某些設(shè)備，使細(xì)胞能夠在模擬特定器官或組織的環(huán)境中存活，并結(jié)合生物傳感器來(lái)測(cè)量細(xì)胞的生理機(jī)能。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)建立了幾個(gè)獨(dú)立的器官芯片檢測(cè)中心，檢測(cè)了100多種藥物。這些藥物都通過(guò)了傳統(tǒng)的臨床前測(cè)試，但在臨床試驗(yàn)中卻都失敗了。“我們的問(wèn)題是，‘一個(gè)給定的芯片能預(yù)測(cè)出2D培養(yǎng)系統(tǒng)和動(dòng)物模型無(wú)法預(yù)測(cè)的不利事件嗎？’”Tagle說(shuō)。在這些測(cè)試中表現(xiàn)出色的器官芯片，可以在未來(lái)藥企提交的監(jiān)管文件中，用來(lái)補(bǔ)充甚至取代動(dòng)物數(shù)據(jù)。
第一階段的測(cè)試在7月結(jié)束，建立了幾個(gè)在藥物毒性測(cè)試方面很有前途的系統(tǒng)。接下來(lái)，組織芯片計(jì)劃專注于藥物療效模型的開發(fā)。這些單器官和多器官系統(tǒng)將用于模擬特定疾病，包括帕金森氏癥、肌萎縮側(cè)索硬化癥和骨關(guān)節(jié)炎。
深呼吸
與傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)相比，器官芯片的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠模擬完整器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)。芯片制造商可以將微通道、曲線、孔洞和細(xì)胞層整合到一起，而不是局限于平整的固體表面。微流控設(shè)備可以依靠程序精確調(diào)控流體的特性增加技術(shù)的真實(shí)性，重新構(gòu)建同類細(xì)胞在人體內(nèi)可能遇到的各種力學(xué)環(huán)境。
肺作為一個(gè)很好的案例展示了這種方法會(huì)遇到的挑戰(zhàn)和所具備的潛力。在人的肺里，細(xì)胞構(gòu)成半透性的屏障，兩邊各不相同。這一屏障允許空氣和血液之間的氣體交換，同時(shí)保持兩種流體的分離，還需承受每次呼吸的周期性收縮。哈佛大學(xué)Wyss研究所的研究人員在2010年首次用肺芯片模擬了這個(gè)系統(tǒng)。在馬薩諸塞州的波士頓，Emulate公司正在繼續(xù)研發(fā)這種芯片和其他器官芯片。
波士頓的團(tuán)隊(duì)并不孤單。瑞士伯爾尼AlveoliX公司的首席執(zhí)行官Olivier Guenat說(shuō)：“我們看到了來(lái)自Wyss研究所的這篇非常有趣的論文，我們想要進(jìn)一步深入拓展這個(gè)概念。”Guenat也是伯爾尼大學(xué)ARTORG生物醫(yī)學(xué)工程研究中心的一個(gè)課題組負(fù)責(zé)人，他的實(shí)驗(yàn)室與治療肺部疾病的臨床團(tuán)隊(duì)合作。
為了模擬肺的結(jié)構(gòu)和三維形變，Guenat的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)平臺(tái)，將細(xì)胞植在含有規(guī)則間隔孔的薄硅膠層上。雖然只有3微米厚，但這些硅膠層仍然足夠堅(jiān)固，能夠承受重復(fù)的、呼吸式的彎曲。完成這一目標(biāo)后，Guenat說(shuō)：“第二大挑戰(zhàn)是，我們想要開發(fā)一些非常容易使用的東西。”
經(jīng)過(guò)幾次設(shè)計(jì)迭代后，AlveoliX公司現(xiàn)在有了一個(gè)原型系統(tǒng)，可以在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的多孔板上運(yùn)行12個(gè)肺芯片。這種安排使用戶能夠使用現(xiàn)有的顯微鏡、酶標(biāo)儀和其他常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備來(lái)處理和測(cè)試芯片。最終，“我們希望能夠從病人身上提取細(xì)胞并進(jìn)行測(cè)試，看看哪種治療方法對(duì)那個(gè)病人最好，”Guenat說(shuō)。
這種芯片還將被證明對(duì)臨床前研究有用，使研究人員能夠以遠(yuǎn)比在活體模型中更精確的方式控制流體流動(dòng)、機(jī)械應(yīng)力和其他參數(shù)，同時(shí)消除動(dòng)物實(shí)驗(yàn)操作的挑戰(zhàn)。Guenat說(shuō)：“我想沒(méi)有哪位生物學(xué)家喜歡殺動(dòng)物，而且現(xiàn)在有了器官芯片，我們真的想減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。”
器官協(xié)奏曲
隨著器官芯片日趨成熟，該領(lǐng)域的研究人員已經(jīng)將微控體技術(shù)和生物傳感器技術(shù)推進(jìn)到下一個(gè)邏輯步驟：多器官系統(tǒng)。理論上，人們可以使培養(yǎng)基輕易的通過(guò)串聯(lián)在一起的多個(gè)器官芯片，從而使藥物和代謝產(chǎn)物在一個(gè)高技術(shù)建立的微型身體內(nèi)循環(huán)。事實(shí)證明，做起來(lái)比說(shuō)起來(lái)，挑戰(zhàn)要大得多。
佛羅里達(dá)州奧蘭多的Hesperos公司總裁兼首席執(zhí)行官M(fèi)ike Shuler說(shuō)：“當(dāng)有人想這么做，很多事情都可能成為問(wèn)題。”這家公司專門生產(chǎn)多器官芯片系統(tǒng)。Shuler同時(shí)也是位于紐約伊薩卡的康奈爾大學(xué)的工程學(xué)教授，他說(shuō)，即使是對(duì)多器官芯片系統(tǒng)非常熟悉的人也很難讓它們運(yùn)行起來(lái)。他表示：“當(dāng)我將技術(shù)從自己的學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化到公司時(shí)，有時(shí)我們需要進(jìn)行幾次迭代才能使其正常工作。”
因此，Hesperos公司將多器官模型作為一種服務(wù)來(lái)提供，而不是試圖將其作為獨(dú)立產(chǎn)品來(lái)銷售和支持。迄今為止，該公司已經(jīng)與幾家有興趣在芯片上測(cè)試藥物先導(dǎo)化合物的制藥公司合作。Shuler介紹，Hesperos通常用四五個(gè)串聯(lián)的器官芯片來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)。“肝臟幾乎總是最關(guān)鍵的，其次是心臟和神經(jīng)肌肉的連接……”他補(bǔ)充說(shuō)，該公司還開發(fā)了包括人造皮膚、胃腸道和血腦屏障在內(nèi)的系統(tǒng)。
最大的挑戰(zhàn)之一是保持系統(tǒng)運(yùn)行足夠久以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的代謝測(cè)試。Shuler說(shuō)：“我們?cè)囍堰\(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)到28天。”在這個(gè)時(shí)間尺度上，細(xì)胞介質(zhì)中氧氣和二氧化碳的溶解度差異會(huì)導(dǎo)致氣泡累積，擾亂系統(tǒng)中需要嚴(yán)格控制的流體流動(dòng)。Hesperos公司為了解決這個(gè)問(wèn)題，放棄了通常用來(lái)控制微流控裝置的泵，轉(zhuǎn)而使用精心設(shè)計(jì)的重力流系統(tǒng)。
隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，微流控系統(tǒng)的支持者們預(yù)計(jì)，在未來(lái)幾年里，微流控系統(tǒng)的受歡迎程度將大幅上升。Hesperos公司的首席科學(xué)官James Hickman表示：“我們已經(jīng)參與到大大小小的制藥公司的工作流程中，而且到目前為止，我們幾乎已經(jīng)實(shí)現(xiàn)人們?yōu)槲覀冊(cè)O(shè)定的每一個(gè)里程碑目標(biāo)。”Shuler預(yù)計(jì)，人體器官芯片“會(huì)大大降低動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在整個(gè)藥物研發(fā)過(guò)程中的重要性，它最終將取代動(dòng)物，或大幅減少動(dòng)物的使用，因?yàn)槟憧梢灾苯荧@得人體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。”■
（譯者李楠是中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的副研究員）
作者Alan Dove是常駐馬薩諸塞州的科學(xué)作家和編輯。
鳴謝：“原文由美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（www.aaas.org）發(fā)布在2018年3月14日《科學(xué)》雜志”。官方英文版請(qǐng)見(jiàn)http://www.sciencemag.org/features/2018/03/vitro-veritas-biosensors-and-microarrays-come-life。