幾十年來，實驗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。在一些激進人士以道德為理由對此進行譴責(zé)的同時，即使是最務(wù)實的研究人員也承認(rèn)它們存在根本問題。實驗動物很昂貴。而且從生物學(xué)實驗的角度，它們只是人類不完美的替代品，因此在實驗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)進行細致研究時的無奈選擇。
得益于在其他領(lǐng)域取得的進展，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)建一個體外模擬的系統(tǒng)，可以減少甚至擺脫對實驗動物的依賴，同時產(chǎn)生更好的數(shù)據(jù)。這個系統(tǒng)通過使用改進的生物傳感器來監(jiān)測微觀區(qū)域；同時利用微流控設(shè)備來實現(xiàn)模擬，它結(jié)合了計算機芯片的微型化特點，并能夠搭載活細胞和組織。
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過程中，會去哪里，在什么時候，被以怎樣的方式再加工。在實踐中，這需要一些繁瑣的技術(shù)，比如用藥物處理許多動物，并在不同的時間犧牲它們進行分析。除了費力和昂貴之外，這些實驗只粗略地測量了藥物在不同時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)，這些傳感器可以實時測量單個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，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的團隊發(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。他的團隊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。
這兩個實驗室后來發(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時數(shù)據(jù)。“這些傳感器可測量的藥物數(shù)量遠遠超過任何傳統(tǒng)電極。”Einaga說。例如，在最近的一篇論文中，研究團隊精確測量了豚鼠內(nèi)耳中利尿劑、抗驚厥藥和化療藥物的濃度。
Hibino說：“我們有一個測試腎臟的計劃，而且兩組人在討論進一步的合作，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。”他補充說，這兩個實驗室目前正在與其他研究人員進行討論，他們希望將這項技術(shù)應(yīng)用于從腫瘤學(xué)到精神藥理學(xué)的各個領(lǐng)域。
控制管道的代碼
改進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，徹底取代動物實驗，至少在某些類型的實驗中是這樣。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驗室。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行實時觀察。例如，一個微小的人類肝臟或腎臟模型對不同劑量的藥物進入有怎樣的反應(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。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，一個液體處理系統(tǒng)就可以滿足不斷變化的實驗室需求。例如，在Elveflow的設(shè)置中，一個鼠標(biāo)操作的計算機界面就可以幫助研究人員構(gòu)建控制液體流動的多步實驗流程。更有經(jīng)驗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：“我們看到這個領(lǐng)域有了很大的發(fā)展，尤其是在過去兩年。”他補充說，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)實驗室的研究人員開始構(gòu)建“器官芯片”系統(tǒng)時，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劃局的管理人員敏銳的注意到了這一點。“很明顯，這將是一個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。這個中心是美國國立衛(wèi)生研究院的27個研究所和中心之一，而Tagle在其中負(fù)責(zé)特別項目的啟動。
Tagle和在其他機構(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胞培養(yǎng)系統(tǒng)和體內(nèi)動物模型時未能準(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充我們?nèi)鄙俚男畔�，以便在藥物開發(fā)中提高成功率。”
為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，美國國立衛(wèi)生研究院在2012年立項了用于藥物篩選的組織芯片項目，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)實驗室合作，該項目的五年目標(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)。由該項目資助的研究人員必須研制某些設(shè)備，使細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胞的生理機能。目前，該項目已經(jīng)建立了幾個獨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，但在臨床試驗中卻都失敗了。“我們的問題是，‘一個給定的芯片能預(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)的真實性，重新構(gòu)建同類細胞在人體內(nèi)可能遇到的各種力學(xué)環(huán)境。
肺作為一個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。
波士頓的團隊并不孤單。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，我們想要進一步深入拓展這個概念。”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課題組負(fù)責(zé)人，他的實驗室與治療肺部疾病的臨床團隊合作。
為了模擬肺的結(jié)構(gòu)和三維形變，Guenat的團隊開發(fā)了一個平臺，將細胞植在含有規(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)計迭代后，AlveoliX公司現(xiàn)在有了一個原型系統(tǒng)，可以在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的多孔板上運行12個肺芯片。這種安排使用戶能夠使用現(xiàn)有的顯微鏡、酶標(biāo)儀和其他常見的實驗室設(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胞并進行測試，看看哪種治療方法對那個病人最好，”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比在活體模型中更精確的方式控制流體流動、機械應(yīng)力和其他參數(shù)，同時消除動物實驗操作的挑戰(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驗。”
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)推進到下一個邏輯步驟：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)在一起的多個器官芯片，從而使藥物和代謝產(chǎn)物在一個高技術(shù)建立的微型身體內(nèi)循環(huán)。事實證明，做起來比說起來，挑戰(zhàn)要大得多。
佛羅里達州奧蘭多的Hesperos公司總裁兼首席執(zhí)行官Mike 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行起來。他表示：“當(dāng)我將技術(shù)從自己的學(xué)術(shù)實驗室轉(zhuǎn)化到公司時，有時我們需要進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)運行足夠久以進行長時間的代謝測試。Shuler說：“我們試著把運行時間延長到28天。”在這個時間尺度上，細胞介質(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)計的重力流系統(tǒng)。
隨著這項技術(shù)的不斷發(fā)展，微流控系統(tǒng)的支持者們預(yù)計，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)實現(xiàn)人們?yōu)槲覀冊O(shè)定的每一個里程碑目標(biāo)。”Shuler預(yù)計，人體器官芯片“會大大降低動物實驗在整個藥物研發(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，因為你可以直接獲得人體系統(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。