近日,Brigham and Womenfs Hospital(布萊根婦女醫(yī)院)副生物工程師、哈佛大學醫(yī)學院助理教授張宇接受了外媒的采訪,他在采訪中提到,人體器官芯片技術正在高速發(fā)展,未來5年~10年內(nèi),器官芯片將會得到廣泛應用。
張宇在生物醫(yī)學工程領域造詣頗深,他的研究方向是基于多尺度生物材料和生物技術開發(fā)功能性組織和器官模型及其在轉(zhuǎn)化治療中的應用。他在生物醫(yī)學和醫(yī)療設備領域經(jīng)驗豐富,包括器官芯片、生物傳感、成像、3D生物打印、生物材料、組織工程和藥物遞送。
張宇博士
他介紹說:“很多制藥公司都開始考慮以及開始測試器官芯片的效果,甚至有一些協(xié)會正在將研究人員與制藥公司聚集在一起,真正討論整個器官芯片領域的應用場景、改善空間等等,推進該領域的發(fā)展。”
他認為,器官芯片在推向產(chǎn)業(yè)應用的過程中,仍有3大問題待解,即2D向3D模型的轉(zhuǎn)變、標準化、以及自動化。
同時,他也提到了未來器官芯片的一大趨勢,即同時連接多個器官實現(xiàn)“微型人體系統(tǒng)”。張宇指出,雖然未來在芯片上構建整個人體生物體系充滿挑戰(zhàn),但是可以一步一步無限接近這個目標。
“我認為構建多器官芯片系統(tǒng)完全可能實現(xiàn),例如心臟芯片、肝臟芯片、腫瘤芯片。如果在腫瘤芯片上測試一種抗腫瘤候選藥,不僅可以了解這種候選藥如何對腫瘤發(fā)揮療效,同時可以了解這種候選藥怎樣對心臟或者肝臟產(chǎn)生副作用?!贝饲埃鴩L試開發(fā)與傳感器集成的多器官芯片平臺。
同時連接多個器官實現(xiàn)“微型人體系統(tǒng)”
“藥物開發(fā)過程中存在很多問題,以傳統(tǒng)模型為例,無論是2D模型還是動物模型,藥物在模型里面的測試結(jié)果通常與人體內(nèi)的結(jié)果不同。關鍵的原因是人體組織器官更為復雜,與2D模型和動物模型差距很大?,F(xiàn)在,新的人體組織器官體外模型比以往任何時候都顯得重要?!?/p>
“藥物從動物模型轉(zhuǎn)化到人體試驗時,常常效果會不盡相同,絕大多數(shù)甚至以失敗告終,這嚴重影響了難治疾病療法的開發(fā)?!睆堄钫f。
正是看到新藥研發(fā)的轉(zhuǎn)化難題,張宇開始專注于開發(fā)多種器官芯片技術。
“由于現(xiàn)在很多種器官芯片仍然需要大量人工操作測試化合物的效果?!睆堄顩Q定改變這種狀況,于是將多個傳感器與器官芯片集成在一起。
2021年4月,張宇團隊在《自然》雜志上在線發(fā)表了一項關于器官芯片的電化學生物傳感器集成研究。
這項研究的突破之處在于集成傳感器可以實時檢測動態(tài)指標,而無需離體檢測,實時動態(tài)檢測將是器官芯片未來一個重要發(fā)展方向。
在研究中,他們制備了基于電化學的生物傳感器,并將該傳感器與微流控芯片集成在一起,以整合微電極功能化、生物標志物檢測和傳感器再生三大功能。
張宇補充道,“測試化合物效果是一個侵入性的過程,如果手動進行,必須打開設備,然后采樣。但我們需要真正了解模型如何連續(xù)長時間與藥物分子或化合物相互作用。所以我們一直在嘗試將傳感器設備集成在器官芯片上,這樣我們就能夠連續(xù)對芯片的不同生物、物理以及化學參數(shù)進行原位、非侵入檢測?!?/p>
據(jù)介紹,該平臺具有很高的通用性,可以在線檢測大多數(shù)可溶生物標志物,與很多現(xiàn)有的器官芯片裝置連接在一起,還能多路復用同時檢測多個生物標記物。
張宇實驗室的另一項工作是開發(fā)三維結(jié)構器官芯片,其中包括在5月份報道的肺芯片。張宇認為某些設備雖然看起來像是3D器官芯片,實則不然。
“器官芯片系統(tǒng)通常是分隔開的,這就代表著不同的流體層或細胞層,并為我們提供體內(nèi)流體的三維結(jié)構,但是在局部器官處可能只能提供二維結(jié)構。比如說,如果要構建上皮細胞或者內(nèi)皮細胞等邊界組織,傳統(tǒng)的器官芯片可以完成。但是,機體有很多3D組織,如何基于這些芯片模擬這些組織是一個問題?!?p>
左圖|圖像顯示呼吸時肺泡上皮細胞的內(nèi)壁,其中白色是指連接蛋白表達(Z0-1),比例尺為50 um。 右圖|圖像顯示肺泡細胞上的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2 (ACE2)表達,顏色為紅色,比例尺為50 um。
例如,通過將3D“腳手架”與芯片相結(jié)合,他的實驗室開發(fā)出了一種器官芯片,該設備可以真正讓肺“呼吸”。這在考慮人類肺末梢的生物學特征很有益,但其形狀和運動無法在2D器官芯片中準確模擬。
“所以現(xiàn)在開發(fā)出了三維器官模型,該模型能夠在細胞微環(huán)境中創(chuàng)造一種與體內(nèi)基本相似的生理環(huán)境?!睆堄钫f。
器官芯片領域已經(jīng)取得了一些突破性進展,不過張宇也表示整個器官芯片行業(yè)仍然處于早期發(fā)展階段,未來還有一段比較長的路要走。
“每個實驗室都有自己的考量、材料、細胞類型或想要生成的結(jié)構。如果只從學術研究的角度來看,這完全沒問題。但如果是制藥公司使用這些器官芯片,藥企并不關心復雜程度,只關注是否好用。”張宇說。
他進一步指出,器官芯片技術要得到廣泛應用,需要提高標準化水平,現(xiàn)在該領域已經(jīng)邁出了第一步。
“現(xiàn)在很多科研人員正在解決這一問題,例如,在美國我們有器官芯片測試中心,該實驗室從不同研究小組或?qū)嶒炇沂占鞴傩酒?,然后統(tǒng)一測試,以此檢查其他實驗室應用的相關規(guī)定是否可以中心重現(xiàn)。這其實就是實現(xiàn)器官芯片技術標準化的重要一步?!?h3>04提高自動化能力
器官芯片行業(yè)商業(yè)化的另一個重要挑戰(zhàn)是能否重現(xiàn),自動化是解決這一挑戰(zhàn)的關鍵要素。
“目前,很多器官芯片都是通過手動或半手動方式開發(fā)和操作。盡管器官芯片更有可能在后期用于篩選藥物劑型,但仍然需要數(shù)十或數(shù)百次測試。因此,如果都是采用手動操作和分類的話,那么器官芯片的使用也就存在一定的局限性。”張宇說。
張宇表示,這樣問題就變成了如何真正實現(xiàn)設備的自動化一一不僅要簡化操作,還能簡化讀數(shù)。
如何實現(xiàn)自動化?
張宇稱,如果大型制藥公司選擇使用器官芯片,自動化程度十分關鍵。如果你想讓它為這些公司服務,那么理想情況下你必須使器官芯片設備與他們已經(jīng)使用了15年的現(xiàn)有基礎設施兼容。(綜合整理報道)(編輯/費勒萌)