幾十年來，實(shí)驗(yàn)室里的生物研究人員一直認(rèn)為動物模型是一種無奈的殺戮。在一些激進(jìn)人士以道德為理由對此進(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)它們存在根本問題。實(shí)驗(yàn)動物很昂貴。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)中會引入許多很難甚至無法控制的變量。這些缺陷并不局限于學(xué)術(shù)研究中。多年來，制藥業(yè)研發(fā)人員一直在與后期研發(fā)失敗艱苦斗爭。在這個(gè)階段，不止一種在不同動物模型中看起來很有希望的藥物被證明無效，甚至對人類有毒。所以說，非人動物模型只是對人類生物學(xué)進(jìn)行細(xì)致研究時(shí)的無奈選擇。
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實(shí)驗(yàn)動物的依賴，同時(shí)產(chǎn)生更好的數(shù)據(jù)。這個(gè)系統(tǒng)通過使用改進(jìn)的生物傳感器來監(jiān)測微觀區(qū)域；同時(shí)利用微流控設(shè)備來實(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
藥代動力學(xué)研究人員一直是動物模型改進(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)過程中，會去哪里，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)只粗略地測量了藥物在不同時(shí)間和身體部位的代謝。
近年來，研究人員已經(jīng)將微小的碳基電化學(xué)傳感器植入動物體內(nèi)，這些傳感器可以實(shí)時(shí)測量單個(gè)動物的新陳代謝變化。它對大腦中的多巴胺和血清素水平等自然信號效果不錯(cuò)，但高背景噪音和低動態(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檢測溶液中的電化學(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，我們在2007年成功地把探頭縮小到了微觀尺度”，Einaga說。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)室后來發(fā)現(xiàn)，摻雜了硼的金剛石探頭可以檢測活體動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)。“這些傳感器可測量的藥物數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何傳統(tǒng)電極。”Einaga說。例如，在最近的一篇論文中，研究團(tuán)隊(duì)精確測量了豚鼠內(nèi)耳中利尿劑、抗驚厥藥和化療藥物的濃度。
Hibino說：“我們有一個(gè)測試腎臟的計(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，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。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)格相對低廉。
過去的幾年里，生物學(xué)家已經(jīng)建造了一系列越來越復(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不同劑量的藥物進(jìn)入有怎樣的反應(yīng)。
不過，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，”法國巴黎Elveflowin公司的營銷和銷售主管Fabien Crespo表示。Crespo補(bǔ)充說：“人們對微流控設(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：“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)動系統(tǒng)。
這種靈活的、模塊化的系統(tǒng)無疑是微流控技術(shù)如此受歡迎的原因之一。Crespo說：“我們看到這個(gè)領(lǐng)域有了很大的發(fā)展，尤其是在過去兩年。”他補(bǔ)充說，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。這可能是源于對開發(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)將在未來幾年出現(xiàn)在快速醫(yī)療診斷測試中。
政府的參與
近10年前，通過基礎(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)，美國國立衛(wèi)生研究院、美國食品和藥物管理局和國防高級研究計(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)。”美國國家轉(zhuǎn)化科學(xué)發(fā)展中心（NCATS）副主任Danilo Tagle說。這個(gè)中心是美國國立衛(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。
Tagle和在其他機(jī)構(gòu)的同行們在2011年與研究人員召開了一次會議，討論如何將新的組織和器官芯片轉(zhuǎn)化為藥物測試和監(jiān)管批準(zhǔn)的實(shí)用模型。Tagle說：“過去幾年的大量研究表明，藥物開發(fā)過程中，90%的損耗是由于在使用細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)和體內(nèi)動物模型時(shí)未能準(zhǔn)確預(yù)測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)，美國國立衛(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)合生物傳感器來測量細(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)立的器官芯片檢測中心，檢測了100多種藥物。這些藥物都通過了傳統(tǒng)的臨床前測試，但在臨床試驗(yàn)中卻都失敗了。“我們的問題是，‘一個(gè)給定的芯片能預(yù)測出2D培養(yǎng)系統(tǒng)和動物模型無法預(yù)測的不利事件嗎？’”Tagle說。在這些測試中表現(xiàn)出色的器官芯片，可以在未來藥企提交的監(jiān)管文件中，用來補(bǔ)充甚至取代動物數(shù)據(jù)。
第一階段的測試在7月結(jié)束，建立了幾個(gè)在藥物毒性測試方面很有前途的系統(tǒng)。接下來，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)勢在于能夠模擬完整器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動態(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：“我們看到了來自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，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：“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)儀和其他常見的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備來處理和測試芯片。最終，“我們希望能夠從病人身上提取細(xì)胞并進(jìn)行測試，看看哪種治療方法對那個(gè)病人最好，”Guenat說。
這種芯片還將被證明對臨床前研究有用，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、機(jī)械應(yīng)力和其他參數(shù)，同時(shí)消除動物實(shí)驗(yàn)操作的挑戰(zhàn)。Guenat說：“我想沒有哪位生物學(xué)家喜歡殺動物，而且現(xiàn)在有了器官芯片，我們真的想減少動物實(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，做起來比說起來，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：“當(dāng)有人想這么做，很多事情都可能成為問題。”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，即使是對多器官芯片系統(tǒng)非常熟悉的人也很難讓它們運(yùn)行起來。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)來提供，而不是試圖將其作為獨(dú)立產(chǎn)品來銷售和支持。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，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)行長時(shí)間的代謝測試。Shuler說：“我們試著把運(yùn)行時(shí)間延長到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。Hesperos公司為了解決這個(gè)問題，放棄了通常用來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“會大大降低動物實(shí)驗(yàn)在整個(gè)藥物研發(fā)過程中的重要性，它最終將取代動物，或大幅減少動物的使用，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：“原文由美國科學(xué)促進(jìn)會（www.aaas.org）發(fā)布在2018年3月14日《科學(xué)》雜志”。官方英文版請見http://www.sciencemag.org/features/2018/03/vitro-veritas-biosensors-and-microarrays-come-life。