心在芯片上药物筛选

在加州大学伯克利分校的工程师们说,他们的手掌心里握在手中,他们不谈论情感脆弱。

相反,生物工程教授领导的研究小组凯文·希利是呈现一个脉动心肌细胞网络安置在一英寸硅装置,有效的人类心脏组织模型,他们展示了这个系统的可行性作为筛查工具通过测试心血管药物。

这organ-on-a-chip,在周一发表的一项研究报道,3月9日在《科学》杂志上报道,代表了一大步发展的准确,加快药物毒性的测试方法。项目资助通过药物筛选项目的组织芯片,国立卫生研究院发起的一个跨部门协作开发三维人体组织芯片模型人体器官的结构和功能。

“最终,这些芯片可以替代动物筛选药物的使用安全性和有效性,“希利说。

这项研究的作者指出高失败率与使用非人类的动物模型来预测人类对新药的反应。很大程度上这是由于基本的生物物种之间的差异,研究人员解释说。例如,心脏细胞的离子通道进行电流可以改变在人类和其他动物之间的数量和类型。

“许多心血管药物目标渠道,所以这些差异经常导致低效和昂贵的实验,不提供准确答案的毒性药物在人类,”希利说。“平均约50亿美元开发药物,和60%的图来自前期成本的研究和开发阶段。使用一个精心设计的模型的人体器官可以显著减少成本和时间为市场带来一种新药。”

上面的视频显示人类心脏组织,来源于成体干细胞,前后接触异丙肾上腺素,一种药物用于治疗心动过缓(心率缓慢)和其他心脏问题。节拍速度明显增加后30分钟的接触毒品。心脏细胞是来源于人为多能干细胞,成体干细胞可以诱导成为许多不同类型的组织。

研究者们设计他们的心脏microphysiological系统或heart-on-a-chip,所以它的三维结构的几何和间距与结缔组织纤维在人心中。他们加入了人类心脏细胞分化成装载区,这一过程希利比作乘客登机地铁在高峰时间。系统的封闭几何有助于使细胞多层和在一个方向。

细胞微流控通道两侧区域作为血管模型,模仿与人体组织交换营养和药物的扩散。在未来,这种设置也可以让研究人员监测细胞的代谢废物的清除。

“这个系统不是一个简单的细胞培养,组织正在沐浴在一个静态的浴液,”研究报告的主要作者说Anurag Mathur,博士后学者希利的实验室和加州再生医学研究所研究员。“我们设计了这个系统,它是动态的;它复制如何组织我们的身体会暴露于营养和药物。”

在24小时内心脏细胞被加载到室后,他们开始自己打在一个正常的生理55到每分钟80次。

研究人员把系统测试通过监测心脏细胞的反应四个著名的心血管药物:异丙肾上腺素,e - 4031,维拉帕米和美托洛尔。他们用心脏组织的击败率的变化来评估对化合物的反应。

基线击败的心脏组织一直在55岁下降到每分钟80次,一系列被认为是正常的成年人。他们发现与药物接触后可预测的响应。例如,经过半个小时的接触异丙肾上腺素,一种药物用于治疗心动过缓(心率缓慢),击败的心脏组织从55岁提高到每分钟124次。

研究人员指出,他们heart-on-a-chip模型可以适应人类遗传疾病或为个体对药物的反应屏幕。他们也研究这个系统是否可以用于多器官相互作用模型。标准的细胞培养板可能功能数百microphysiological细胞培养系统。

“连接心脏和肝脏组织最初将使我们能够确定药物的作用很好,在心脏会被肝脏代谢的方式将有毒,”希利说。

工程心脏组织仍然可行的和功能在多个星期。考虑到时间,它可以用来测试各种药物,希利说。