小说即插即用多器官芯片开发

策划组织已经成为建模的一个关键组成部分的疾病和测试药物的有效性和安全性在人类的上下文。研究者的主要挑战是如何塑身功能和系统性疾病与生理上多个工程组织可以沟通——就像他们所做的。然而,必须提供每个工程组织有自己的环境,特定组织表型可以保持数周,数月,所需的生物和生物医学研究。制造更加复杂的挑战是连接组织的必要性模块共同促进其生理沟通,这是建模所需条件,涉及多个器官系统,在不牺牲个人改造组织环境。

小说即插即用多器官芯片,定制的病人

到目前为止,还没有人能够满足这两个条件。今天,一个研究小组哥伦比亚大学工程和欧文哥伦比亚大学医学中心报告说,他们已经开发了一个模型的人体生理学的形式组成的多器官芯片设计人类心脏、骨骼、肝脏,和皮肤有关的血管流循环免疫细胞,允许重演相互依存的器官功能。研究人员已经创造了一个即插即用多器官芯片,这是显微镜幻灯片的大小,可以定制的病人。因为疾病进展和治疗反应差异很大从一个人到另一个地方,这样的芯片将最终使个性化优化为每个病人的治疗。的研究2022年4月的封面故事是问题吗自然生物医学工程。

“这是一个巨大的成就于我们已经花了十年的运行数以百计的实验,探索无数伟大的思想,和建筑许多原型,现在最后我们开发这个平台,成功地抓住了生物体内器官的相互作用,”项目负责人说Gordana Vunjak-Novakovic米卡提基金会、大学教授和教授生物医学工程、医学和牙科医学。

灵感来自于人体

灵感来自人体如何工作,团队已经建立了一个人类组织芯片系统的相关成熟的心,肝脏,骨骼,和皮肤组织模块由再循环血管流,允许沟通相互依存的器官在人体一样。研究人员选择了这些组织,因为他们有截然不同的胚胎起源,结构和功能属性,和不利影响的癌症治疗药物,建议的方法的严格的测试。

“提供组织之间的沟通,同时保留个人表型一直是一个重大的挑战,“说Kacey Ronaldson-Bouchard,这项研究的首席作者,在Vunjak-Novakovic的助理研究员干细胞和组织工程实验室。“因为我们专注于单独使用patient-derived组织模型,我们必须成熟的每个组织,函数的方式模仿你会看到在病人的反应,我们不想牺牲这个高级功能当连接多个组织。在人体内,每个器官保持自己的环境,而与其他器官的血管流携带交互循环细胞和生物活性的因素。所以我们选择连接的组织血管循环,同时保留每个组织的利基,必须保持其生物逼真度,模仿我们的器官在身体相连。”

优化组织模块可以维持一个多月

集团组织创建模块,每个在其优化环境和分离的常见血管内皮屏障选择性渗透流。个人组织环境能够穿过内皮通过血管循环障碍和沟通。研究者还引入血管循环单核细胞引起巨噬细胞,因为他们的重要角色在指导组织反应损伤、疾病和治疗结果。

所有的组织都是源自人类诱导多能干细胞的同一行(iPSC),获得从一个小的血液样本,为了展示个性化的能力,针对病人的研究。,证明该模型可用于长期研究,团队维护组织,它已经为四到六周的发展和成熟,为额外的四个星期,后由血管灌注有关。

使用模型来研究抗癌药物

研究人员还想演示模型可以用于研究人类环境的一个重要系统条件和选择研究抗癌药物的副作用。他们研究了阿霉素的影响——广泛应用抗癌药物对心脏、肝脏、骨骼、皮肤、血管。他们表明,测量效果又一次重复那些癌症治疗的临床研究报告的使用相同的药物。

团队并行开发的一种新型多器官芯片的计算模型的数学模拟药物的吸收,分布,代谢和分泌。该模型准确预测阿霉素的新陈代谢doxorubicinol及其扩散到芯片。多器官芯片的组合计算方法在未来的其他药物的药代学和药效学的研究提供了一个改善临床前基础临床外推,在药物开发与改进管道。

“在这样做的同时,我们也能够识别一些早期毒性的分子标记,最主要的副作用限制了药物的广泛使用。最值得注意的是,多器官芯片预测精确的毒性和心肌病往往需要临床医生降低阿霉素的治疗剂量或者停止治疗,“Vunjak-Novakovic说。

合作的大学

多器官芯片的发展开始从一个平台心脏,肝脏,和血管,绰号HeLiVa平台。总是如此Vunjak-Novakovic的生物医学研究,合作完成工作都是至关重要的。包括她实验室的集体人才,安德里亚Califano及其系统生物学团队(哥伦比亚大学),克里斯托弗·s·陈(波士顿大学)和凯伦k Hirschi(弗吉尼亚大学)血管生物学和工程学方面的专长,安吉拉·m . global和她的皮肤研究小组(哥伦比亚大学),拉杰什k .索尼哥伦比亚大学蛋白质组学的核心的计算建模支持团队在CFD研究公司。

众多的应用程序,所有在个性化的特定的上下文

研究小组目前正在使用此芯片研究的变化中,在个性化缺失情况下:乳腺癌转移;前列腺癌转移;白血病;辐射对人体组织的影响;SARS-CoV-2对心脏的影响、肺和血管;在心脏和大脑缺血的影响;和药物的安全性和有效性。集团也在开发一个用户友好的标准化芯片对学术和临床实验室,帮助推进生物和医学研究利用其全部潜力。

Vunjak-Novakovic补充道,“organs-on-chips上十年的研究之后,我们仍然觉得很不可思议,我们可以通过连接病人的生理模型毫米大小的组织——心脏肌肉,肝脏代谢,和正常皮肤和骨骼生长从病人的细胞。我们是兴奋,这种方法的潜力。它独特的设计为系统性的研究条件与伤害或疾病有关,并将使我们能够保持设计的人体组织的生物学性质以及它们的通信。一次一个病人,从炎症到癌症!”

参考:Ronaldson-Bouchard K, tel D,耶格尔K,等。多器官芯片与成熟组织细分市场通过血管流有关。Nat生物医学中。2022;6 (4):351 - 371。doi:10.1038 / s41551 - 022 - 00882 - 6

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