哥倫比亞大學工程學院一個研究團隊的重大進展展示了第一個由血管流動連接的工程人體組織製成的多器官芯片，以改善像癌症這樣的系統性疾病的建模。
工程組織已經成為模擬疾病和在人類環境中測試藥物療效和安全性的重要組成部分。研究人員的一個關鍵障礙是弄清楚如何用能夠進行生理“交流”的多個工程組織來模擬身體功能和系統性疾病–就像它們在體內一樣。然而，必須為每個工程組織提供自己的環境，以便特定的組織表型可以維持數周至數月，這是生物和生物醫學研究的要求。使得挑戰更加複雜的是，必須將組織模塊連接在一起，以促進它們的生理“交流”，這對於涉及一個以上器官系統的建模條件來說是必需的，同時又不會犧牲單個工程組織的環境。
為患者量身定製的新型即插即用多器官芯片
到目前為止，還沒有人能夠滿足這兩個條件。周五，來自哥倫比亞大學工程學院和哥倫比亞大學歐文醫學中心的一個研究小組報告說，他們已經開發了一個多器官芯片形式的人類生理學模型，該芯片由工程化的人類心臟、骨骼、肝臟和皮膚組成，通過血管流動與循環免疫細胞相連，以允許再現相互依賴的器官功能。研究人員基本上創造了一個即插即用的多器官芯片，它只有顯微鏡玻片大小，可以根據病人的情況進行定製。由於疾病的發展和對治療的反應因人而異，這種芯片最終將使每個病人的治療得到個性化的優化。這項研究於4月發表在《自然-生物醫學工程》雜誌上。
“這對我們來說是一個巨大的成就–我們花了十年時間進行了數百次實驗，探索了無數偉大的想法，並建立了許多原型，現在我們終於開發了這個平台，成功地捕捉到了體內器官相互作用的生物學特性，”項目負責人、大學教授和米卡提基金會生物醫學工程、醫學科學和牙科醫學教授Gordana Vunjak-Novakovic說。
受到人體的啟發
該團隊從人體的工作方式中獲得靈感，建立了一個人體組織芯片系統，在該系統中，他們通過再循環的血管流將成熟的心臟、肝臟、骨骼和皮膚組織模塊連接起來，使相互依賴的器官能夠像在人體中一樣進行交流。研究人員選擇這些組織是因為它們具有明顯不同的起源、結構和功能特性，並且受到癌症治療藥物的不利影響，這為擬議的方法提供了嚴格的測試。
該研究的主要作者、Vunjak-Novakovic幹細胞和組織工程實驗室的副研究員Kacey Ronaldson-Bouchard說：“在組織之間提供交流，同時保留它們各自的表型一直是一個重大挑戰。因為我們專註於使用病人衍生的組織模型，我們必須單獨使每個組織成熟，以便它的功能模仿你在病人身上看到的反應，而且我們不想在連接多個組織時犧牲這種高級功能。在體內，每個器官都保持着自己的環境，同時通過攜帶循環細胞和生物活性因子的血管流動與其他器官互動。因此，我們選擇通過血管循環來連接各組織，同時保留每個組織的生態位，這是保持其生物保真度的必要條件，模仿我們的器官在體內的連接方式。”
優化的組織模塊可以維持一個多月的時間
該小組創建了組織模塊，每個模塊都在其優化的環境中，並通過選擇性滲透的內皮屏障將它們與公共血管流分開。各個組織環境能夠跨越內皮屏障並通過血管循環進行交流。研究人員還將產生巨噬細胞的單核細胞引入血管循環，因為它們在指導組織對損傷、疾病和治療結果的反應方面起着重要作用。
所有組織都來自同一系人類誘導多能幹細胞（iPSC），從少量血樣中獲得，以證明個體化、特定病人研究的能力。而且，為了證明該模型可用於長期研究，該團隊在通過血管灌注將組織連接起來后，將已經生長和成熟了4至6周的組織再維持了4周。
利用該模型研究抗癌藥物
研究人員還想證明該模型如何能被用於研究人類背景下的一個重要系統狀況，並選擇研究抗癌藥物的不良影響。他們調查了阿黴素（一種廣泛使用的抗癌藥物）對心臟、肝臟、骨骼、皮膚和血管的影響。他們表明，所測量的效果再現了那些使用同一藥物的癌症治療的臨床研究報告。
該團隊同時開發了一個新的多器官芯片的計算模型，用於數學模擬藥物的吸收、分佈、代謝和分泌。這個模型正確地預測了阿黴素代謝成阿黴素醇的過程以及它在芯片中的擴散。在未來對其他藥物的葯代動力學和藥效學的研究中，多器官芯片與計算方法的結合為臨床前到臨床的推斷提供了更好的基礎，藥物開發管道得到改善。
“在這樣做的同時，我們還能夠確定一些早期的心臟毒性的分子標記，這是限制該藥物廣泛使用的主要副作用。最值得注意的是，多器官芯片準確地預測了心臟毒性和心肌病，這往往需要臨床醫生減少多柔比星的治療劑量，甚至停止治療，” Vunjak-Novakovic說。
多個機構的合作
多器官芯片的開發始於一個有心臟、肝臟和血管的平台，其被稱為為HeLiVa平台。正如Vunjak-Novakovic的生物醫學研究一樣，合作對於完成這項工作至關重要。這些合作包括她的實驗室、Andrea Califano和他的系統生物學團隊（哥倫比亞大學）、Christopher S. Chen（波士頓大學）和Karen K. Hirschi（弗吉尼亞大學）在血管生物學和工程方面的專業知識、Angela M. Christiano和她的皮膚研究團隊（哥倫比亞大學）、哥倫比亞大學蛋白質組學核心的Rajesh K. Soni，以及CFD研究公司團隊的計算建模支持。
眾多的應用，都是在針對患者的個體化背景下進行的
研究小組目前正在使用這種芯片的變體來研究，所有這些都是針對病人的個體化背景：乳腺癌轉移；前列腺癌轉移；白血病；輻射對人體組織的影響；SARS-CoV-2對心、肺和血管的影響；缺血對心和腦的影響；以及藥物的安全性和有效性。該小組還在為學術和臨床實驗室開發一種用戶友好的標準化芯片，以幫助利用其全部潛力來推進生物和醫學研究。
Vunjak-Novakovic補充說：“在對芯片上的器官進行了十年的研究之後，我們仍然發現，通過連接毫米大小的組織–跳動的心肌、新陳代謝的肝臟，以及從病人的細胞中生長出來的功能正常的皮膚和骨骼，我們可以對病人的生理結構進行建模，這是令人驚訝的。我們對這種方法的潛力感到興奮。它為研究與傷害或疾病相關的系統性條件而獨特設計，並將使我們能夠在保持工程人類組織的生物特性的同時，保持它們的溝通。一次一個病人，從炎症到癌症！”