器官上的芯片

安吉洛DePalma博士。

更多的生理相关疾病模型或有趣的科学项目?

许多年前追求生理有关在体外测试的毒素,食品,维生素、药物和化学物质导致细胞化验,成为更多的信息和先进的荧光和化学发光标记的出现。最终镀和悬浮细胞导致膜substrate-based文化,最后三维文化。Organs-on-chips基于图案3 d单一栽培或培养,添加功能的微流体细胞提供营养,同时清除代谢产物。

从细胞化验

进化从简单的细胞检测到organs-on-chips说明每个阶段的发展增加了实用功能。

简单的膜基文化已经存在了大约二十年,一直很成功组织类似物。像MilliporeSigma (Billerica, MA) Millicell®膜,可在方便96 -格式。“Millicell已经相当成功地模仿endothelia等屏障层,存在作为一个单一的平面细胞之间的紧密连接,”菲利普·李指出,博士,负责细胞培养系统在MilliporeSigma营销。应用包括药物筛选和内皮渗透性测试。

因为它们包括一个额外的空间维度,3 d文化(包括organs-on-chips)互动密切与基质材料比2 d的文化。因此,矩阵与特定的细胞相容性的重要性。各种天然和合成材料,在各种各样的配置,采用3 d文化矩阵。

“另外,大众运输在3 d文化是关键,因为细胞球形或多层配置会很快饿死自己,死,”李说。这是实现通过微流体organs-on-chips足够的学位。

细胞organs-on-chips包括永生化细胞系的选择,收获的主要细胞,细胞主要来源于诱导多能干细胞(万能)。永生化细胞是最顽强的和容易的文化,但由于他们异常可能无法提供最佳的生理意义。主要收获的细胞器官捐赠者通常提供所需的生理相关性但他们的供应是不确定的,和他们的行为变化取决于捐赠者的健康状况。

细胞干细胞谱系几乎消除供应,质量,和一致性问题,但新分化的细胞并不总是回应一样成熟的主要细胞。iPSC-derived主要细胞在药物发现最成功的屏幕,在完美的器官模型毒性和药效并不总是必要的。

“事实是,并不是所有的3 d细胞行为相同的文化,”李说,然而organ-on-chip和3 d细胞培养研究小组缺乏一个明确的共识,细胞是最好的。肠道等文化模仿正常细胞,肺,心脏,当前的趋势是首先万能干细胞分化成体细胞,据李“罢工之间的平衡细胞可访问性和高生理相关性。但问题仍然对未来的黄金标准。”

特殊处理

CN生物创新(英国赫特福德郡)专门从事肝脏模型通过其LiverChip®平台。在一个设备,体现量子B®,概括完整的B型肝炎病毒生命周期的额外配置LiverChip模仿丙型肝炎和疟疾,并作为标准毒理学和代谢研究。

首席技术官大卫·休斯博士指出,肝细胞需要精确的专业知识和处理,因为他们在2 d文化迅速失去功能。“因为他们不扩散在文化有很多的兴趣保持原发性肝细胞功能更久。”

CN生物利用各种细胞器官模型,但现在几乎只作用于人类的主要细胞。

该公司organ-on-a-chip雇佣了一个双向的微型泵,把肝细胞微孔聚苯乙烯脚手架。细胞粘附和填充后支架泵反转方向,为细胞提供养分和氧气。肝细胞存活至少四十天内设备。

LiverChip变得有趣,当肝细胞培养更多的细胞类型。肝细胞是肝实质细胞,这意味着他们是主要的功能单位。CN生物也使用non-parenchymal细胞生物学提供额外的功能和更好的近似器官。一个模型包含了枯氏细胞,居民肝巨噬细胞。”在一起,两个细胞提供了一个模型,看起来更像是免疫肝而不仅仅是代表代谢功能的肝细胞,”休斯告诉技术网络,“因为培养细胞影响彼此的功能。”188金宝搏备用

像芯片制造

实质细胞的基础设计的“芯片上的呼吸肺”Dongeun(丹)嗯,博士,宾夕法尼亚大学的生物工程教授(费城,PA)。哈之间的接口的设备模拟微观肺泡气囊深处肺癌和周围的毛细血管,使气体交换。

利用制造技术开发的计算机行业,嗯编造的塑料芯片包含人工培养的肺毛细血管细胞poly-dimethylsiloxane薄弹性膜的两侧,材料用于生产隐形眼镜。“设计允许我们扩张和收缩膜和细胞连接模拟呼吸运动,”哈说。

嗯有感染细胞的“肺”一边设备与细菌,在毛细管端和免疫细胞。信号的影响下从感染细胞的免疫细胞最终坚持毛细组织,通过轮回,并进入肺泡间吞噬细菌清除感染。“模型模拟复杂器官水平的函数,而不是只是修复功能。”

嗯主要使用主要人类细胞是从尸体,扩大通过几个章节。在传统cultureware细胞分离后,悬浮在培养基,注入微流体通道。嗯概念证明的一篇论文发表在科学五年前和不断改进的模型。其他成功哈芯片上的实验室包括闪烁的眼睛,placenta-on-a-chip,乳房cancer-on-a-chip和肺模型肺纤维化和哮喘。哮喘模型是特别相关的动物因为哮喘不自然发展,这一事实已经阻碍了治疗哮喘的药物测试。

肺芯片兼容各种化验,包括免疫荧光细胞反应和抗体来衡量生物标志物的表达或cell-specifc标记。嗯可以收集流出设备测量分泌产品,包括细胞因子、趋化因子、激素、生长因子,和代谢物,或分离细胞和分析他们以外的设备。“我们不是嫁给了任何特定的试验,”他说。

细胞打印

3 d印刷主要是细胞与再生医学,但斯旺西大学的维克森林医学院,像BioBots和Organovo公司采用技术来创建器官模型。3 d细胞印刷是将细胞放入设备类似于3 d打印机和一层一层地沉淀到定义的结构。细胞最终融合成组织如结构复制实际的功能组织。

生物打印/ 3 d细胞培养的优点或organs-on-chips消除biomatrix材料。“当我们创建一个组织它百分之一百的细胞,无异物存在,”基思·墨菲说,首席执行官Organovo (CA)圣地亚哥。“有更高的保真度实际组织,而不是让细胞大致接近,希望他们的行为。”

Organovo的生物打印过程可以根据生产组织以多种格式,包括这些微尺度组织包含在标准的板材多井组织培养药物测试。

Organovo开始与一个细胞沉积系统,其业务引起的剪切力,导致太多的细胞死亡。他们现在使用一种技术由公司创始人Gabor Forgacs博士,来自密苏里州大学的使用大直径飞机和低流速,几乎创造了零剪切和接近百分之一百的细胞生存能力。

在传统组织工程首先创建一个脚手架然后繁殖生物活性,生物打印范围的另一端开始,首先重建生物富达然后大小/结构。

组织工程师加载Organovo的专利生物打印完整的人,架构上正确的3
D组织改善疾病研究,药物发现和毒性测试。

一个限制由3 d共享文化和器官在芯片是缺乏真正的脉管系统。“保持细胞存活在复杂的组织模型仍然是一个问题,”墨菲说。“发生了一些进步,但没人能复制一个循环系统,清洁和滋养细胞在这些模型。”

障碍和怀疑

根据丹啊,在芯片,开发更多相关器官功能障碍和接受这些模型,是取决于获取细胞适合任务,使用适当的材料,和执行健壮的验证。

主要的人类细胞工作最好了,但他们的供应和质量是不可预测的,这在很大程度上取决于收获技术,细胞的年龄和健康状况的组织捐赠。矩阵的材料会影响小分子药物筛选,因为许多聚合物吸收小分子,从而影响药物的浓度,这可能会影响试验的结果。

最终,行业将广泛采用芯片只有在设备上的器官已经根据接受动物模型进行验证。哈的原始科学手稿收到不利的评论,因为他没有提供他的模型验证的生理意义。解决这些问题要求他重复一些关键的实验动物模型,证实了他的在体外发现。

CN生物的大卫·休斯也警告说,在器官通过培养和矩阵芯片实现的复杂性,他们仍然是最重要的是不完美的模型。“他们缺乏所有器官的功能。正确使用他们的关键是理解他们能做什么。”

还有严重的怀疑论者。

马丁•Yarmush医学博士博士,他在马萨诸塞州综合医院医学工程中心,organ-on-a-chip先锋。在他的成功中几种复杂的多细胞系统(比如brain-on-a-chip, allergy-on-a-chip, liver-on-a-chip。然而,他认为“芯片”技术并不成熟。“这一领域已经成为有些夸大,但它能可靠地提供短期。此外,一些开发商将你相信organs-on-chips是解决方案的问题,他们不是为了解决。”

Yarmush指DARPA的博士,国立卫生研究院,FDA的人类body-on-a-chip倡议,“有点童话给他们只要方法,不适合研究系统各个组件在哪里还不发达。“这些机构项目投入大约1.3亿美元,其中3700万美元去哈佛的韦斯研究所。一个主要的目标是连接10微阵列芯片上的“器官”模仿人体生理学。

没有重要的新闻出现在项目自2015年初以来,似乎和美国国防部高级研究计划局很快就会走出业务相对。

organ-on-a-chip技术的景点之一是药物的潜在识别注定要失败在诊所尽早在药物开发,并且最好在人类研究开始之前。”,但这些药物的失败不会发生,因为我们缺乏human-on-a芯片平台,“Yarmush解释道。”化合物经常失败,因为特殊的反应或因为安全信号不出现在临床前研究中,还是在临床阶段1和2涉及少量的科目。警示的结果不会出现早期的小型研究人口可能会突然出现在第三阶段和/或市场批准后。human-on-a-chip不会预测这些事件。现在,如果我们有300000 humans-on-chips这将是一个不同的故事,但更大的童话故事。”

“这些系统的人类相关性也是一个需要考虑的问题,仔细审查。Wyss研究所开发了lung-on-a-chip平台,他们声称是有用的识别IL-2-induced肺水肿。他们的数据表明,与他们lung-on-a-chip系统,直接作用于上皮细胞- 2创建空白与机械应变增大,妥协的障碍,导致什么似乎是水肿。“然而精读的文献表明,这种生理模型是似是而非的。”似乎这些调查人员已经创建了一个系统报告一个幽灵疾病机制,并随后说服制药公司投资。”

安吉洛DePalma是一个自由作家生活在牛顿,新泽西,美国。