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| 購(gòu)買進(jìn)口儀器、試劑和耗材——就在始于2001年的畢特博生物 www.pyjb.com.cn |
微流體裝置，例如這種“芯片肺”可用作干細(xì)胞生物學(xué)家的精細(xì)的研究工具。 人類干細(xì)胞產(chǎn)生的 3D 微型組織，可用于在體外研究正常人類生物學(xué)和人類疾病。 日本慶應(yīng)大學(xué)醫(yī)學(xué)院（Keio University School of Medicine）的干細(xì)胞研究人員 Toshiro Sato 在實(shí)驗(yàn)室的顯微鏡下觀察了一個(gè)培養(yǎng)皿。不過他看到的不是一片細(xì)胞，而是更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)——肉眼幾乎無法看清的球形組織。這些組織就是類器官。在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件，干細(xì)胞會(huì)分化，并排列成與特定組織或器官類似的 3D 結(jié)構(gòu)。 類器官可由多潛能干細(xì)胞（具有分化成任意身體組織類型，例如肌肉、皮膚、腸道和大腦的潛能）分化形成。當(dāng)在合適的條件下生長(zhǎng)時(shí)，例如使用特定的生長(zhǎng)因子時(shí)，干細(xì)胞自我組織成與體內(nèi)組織類似的、由不同細(xì)胞組成的結(jié)構(gòu)。相比之下，芯片器官（organs-on-chip, OOC）通常通過將干細(xì)胞和已經(jīng)分化成所需細(xì)胞類型的細(xì)胞按照位置和結(jié)構(gòu)布置在微型裝置上。英國(guó)劍橋醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的發(fā)育生物學(xué)家 Madeline Lancaster 指出，類器官與 OOC 之間的區(qū)別在于“是自組織，還是人工構(gòu)建”。 類器官被評(píng)為了去年《自然》（Nature）雜志的年度技術(shù)，并越來越多地被用于研究正常發(fā)育和疾病進(jìn)展。例如，Sato 的研究小組利用類器官來研究腫瘤形成的早期階段。他的研究小組使用 CRISPR 基因編輯技術(shù)來改變干細(xì)胞中的 DNA 序列，然后研究這些突變?nèi)绾斡绊戭惼鞴俚陌l(fā)育。Sato 表示，這種方法通過測(cè)試特定突變是否會(huì)重演癌癥發(fā)展來研究因果性。 類器官和 OOC 在評(píng)估藥物、化學(xué)品和化妝品的功效和安全性方面也很有潛力，并可能被應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)。哈佛大學(xué)（Harvard University）懷斯生物啟發(fā)工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的創(chuàng)立者 Donald Ingber 舉了個(gè)例子：隨機(jī)臨床試驗(yàn)面臨的挑戰(zhàn)是如何比較治療效果，因?yàn)閰⑴c者的遺傳學(xué)和生活史可以影響他們對(duì)候選藥物的反應(yīng)。來自患者細(xì)胞的 OOC 和類器官具有相同的遺傳學(xué)和臨床歷史，因此可以消除這些混雜效應(yīng)。然而，這些技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展，例如如何擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以滿足不斷增長(zhǎng)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究需求，同時(shí)提高可重復(fù)性，并保持類器官和 OOC 與其所代表的體內(nèi)器官的保真度。 培養(yǎng)皿里的器官研究人員用來制造類器官和 OOC 的多潛能干細(xì)胞包括天然胚胎干細(xì)胞（embryonic stem, ES），以及通過誘導(dǎo)已分化細(xì)胞（如成纖維細(xì)胞）而得到的、具有多能性的細(xì)胞，即誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cell, iPS 細(xì)胞）。Lancaster 利用類器官來研究基本的大腦發(fā)育，并確定自閉癥和精神分裂癥等復(fù)雜疾病的誘發(fā)因素，同時(shí)使用 ES 細(xì)胞來開發(fā)和測(cè)試研究方案和新模型。 用于研究遺傳性疾病或個(gè)性化藥物的類器官通常由成體干細(xì)胞或 iPS 細(xì)胞制成，這些細(xì)胞經(jīng)過改造后具有患者特異性。荷蘭烏得勒支干細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)研究所（Hubrecht Institute）的遺傳學(xué)家 Hans Clevers 利用源自腸干細(xì)胞的類器官來預(yù)測(cè)囊性纖維化患者對(duì)各種藥物的反應(yīng)。囊性纖維化可由單個(gè)基因 CFTR 中的任何突變引起。盡管臨床上已有囊性纖維化的療法，但是非常昂貴，且僅適用于具有特定突變的患者。Clevers 的研究小組現(xiàn)在正在測(cè)試源自荷蘭 600 名不攜帶這些突變的囊性纖維化患者的類器官。其基本原理是，如果藥物能導(dǎo)致患者的類器官在測(cè)定條件下膨脹，那么患者也可能對(duì)該療法產(chǎn)生反應(yīng)。 同樣，Sato 的團(tuán)隊(duì)也開發(fā)了一種使用成體干細(xì)胞產(chǎn)生腸類器官的方法。他現(xiàn)在正參與一項(xiàng)臨床試驗(yàn)，以測(cè)試由 8 名患者的干細(xì)胞制成的組織是否可被安全地植入腸道，以修復(fù)由潰瘍性結(jié)腸炎引起的損傷。 在癌癥研究和藥物開發(fā)中，類器官已經(jīng)證明了自身的價(jià)值。國(guó)際人類癌癥模型計(jì)劃（International Human Cancer Models Initiative）正在開發(fā)“二代”類器官模型，其中某些 DNA 序列已被注釋。通過研究臨床數(shù)據(jù)，研究人員可以將他們?cè)陬惼鞴偕系陌l(fā)現(xiàn)與患者特征和結(jié)果聯(lián)系起來。美國(guó)國(guó)家癌癥研究所癌癥基因組辦公室（National Cancer Institute’s Office of Cancer Genomics）的主任 Daniela S. Gerhard 表示，今年晚些時(shí)候，人們就可以從美國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心（American Type Culture Collection, ATCC）訂購(gòu)這些類器官了。ATCC 最開始將提供約 150 種不同的類器官模型，目前售價(jià)尚未確定。由 Clevers 擔(dān)任首席科學(xué)家的 Hubrecht 類器官生物樣本庫(kù)（Hubrecht Organoid Technology biobank）提供了數(shù)百種來自成體干細(xì)胞的不同類型的器官，價(jià)格在 2000 到 3000 歐元之間（折合 1700-2600 美元）。Clevers 等人使用來自 18 名患者的結(jié)腸直腸癌細(xì)胞衍生的類器官來檢測(cè) 83 種抗癌化合物。類器官中的耐藥模式與已知的耐藥突變相對(duì)應(yīng)，表明類器官可用于預(yù)測(cè)患者對(duì)特定藥物的反應(yīng)。 Clevers 指出，由 ES 細(xì)胞和 iPS 細(xì)胞衍生出來的組織是研究復(fù)雜的發(fā)育過程的理想模型，但它們的生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，可能需要數(shù)周或數(shù)月；若由成體干細(xì)胞構(gòu)建類器官，則生產(chǎn)周期短一些。由于構(gòu)建時(shí)間短，被引入突變的概率也更小，因此相對(duì)于 ES 和 iPS，由成體干細(xì)胞構(gòu)建的類器官的重現(xiàn)性更好。 培養(yǎng)類器官的過程類似于標(biāo)準(zhǔn)的組織培養(yǎng)工作。Sato 表示，即便是新入門的研究生，也可以在幾周內(nèi)輕松培育出類器官。Lancaster 補(bǔ)充，由干細(xì)胞構(gòu)建組織是一件很容易的事，難點(diǎn)在于結(jié)果解讀。我們很難確定得到的類器官更像哪些真實(shí)組織。 OOC 的一致性有時(shí)也被稱為微生理系統(tǒng)或組織芯片的 OOC 是一種可用于培養(yǎng)細(xì)胞的、名為微流控芯片的結(jié)構(gòu)化微型器件。與干細(xì)胞自發(fā)發(fā)育的類器官不同，OOC 的發(fā)育過程是被設(shè)計(jì)好的。芯片的結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞的類型和位置決定了出現(xiàn)的組織及其排列方式。對(duì)此，加拿大麥克馬斯特大學(xué)（McMaster University）的生物工程師 Boyang Zhang 表示，這意味著 OOC 通常比類器官更穩(wěn)定。當(dāng)然，OOC 也可能更復(fù)雜，因?yàn)殚_發(fā)人員可以添加工程元素，如傳感器、促進(jìn)流體和氣體交換的“脈管系統(tǒng)”，以及便于成像的元素，這些元素不能自發(fā)地出現(xiàn)在類器官中。 我們可以購(gòu)買某些組織芯片。開發(fā) OOC 的生物工程師可以從企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)那里獲得他們的初始芯片。Wyss 研究所的一個(gè)研究小組利用涂有合成聚合物的顯微鏡載玻片制成了“芯片心臟”。采用患有先天性心臟病的 Barth 綜合征患者的 iPS 細(xì)胞，研究小組首先誘導(dǎo) iPS 細(xì)胞分化成心肌細(xì)胞，然后在芯片上培養(yǎng)這些細(xì)胞以產(chǎn)生可測(cè)試功能的組織。研究人員能夠證明與 Barth 綜合征相關(guān)的突變導(dǎo)致心肌細(xì)胞功能異常。他們也能夠在體外糾正缺陷。
內(nèi)耳類器官的橫截面。 由 Zhang 共同創(chuàng)立的 TARA Biosystems 公司開發(fā)了一種名為 Biowire 的心臟 OOC，以用于藥物測(cè)試。TARA 科學(xué)家將來自 iPS 細(xì)胞的心肌細(xì)胞放入一個(gè)微型裝置中，細(xì)胞會(huì)圍繞裝置中的一根細(xì)絲生長(zhǎng)。這有助于引導(dǎo)心肌細(xì)胞按照功能所需的常規(guī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列。發(fā)育中的“心肌”在電刺激誘導(dǎo)下，成為可以收縮和放松的成熟心肌，并且可以模仿真實(shí)心臟組織的功能。例如，施加腎上腺素，心臟 OOC 收縮會(huì)增加。 Nortis 公司通過玻璃纖維周圍的固化膠原基質(zhì)來創(chuàng)建 OOC，然后將玻璃纖維去除，得到數(shù)毫米長(zhǎng)的、直徑約 100 微米的空心通道。一旦往管道里接種細(xì)胞，組織就會(huì)在幾天內(nèi)形成。這種芯片是一次性的，可以運(yùn)行三個(gè)并行實(shí)驗(yàn)，售價(jià) 300 美元。 Nortis 首席執(zhí)行官 Thomas Neumann 表示，干細(xì)胞生產(chǎn) OOC 的優(yōu)勢(shì)將更加突出，因?yàn)楦杉?xì)胞在再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化醫(yī)療上具有重要潛力。但是，他也指出，如果干細(xì)胞產(chǎn)生的 OOC 沒有完全分化或成熟，就會(huì)產(chǎn)生問題，所以質(zhì)量保證將變得更加重要。 OOC 可被設(shè)計(jì)成具有很高的復(fù)雜度，而這是類器官無法比擬的。例如，OOC 可以用來模擬生理特性，如組織拉伸、脈動(dòng)和蠕動(dòng)。Ingber 在 2010 年發(fā)表的關(guān)于肺毛細(xì)血管—肺泡界面的微型模型的論文創(chuàng)造了“芯片肺”，開辟了這一領(lǐng)域的先河。芯片上的通道由一側(cè)分隔肺泡細(xì)胞，另一側(cè)分布血管細(xì)胞的膜分開。而呼吸則可以通過向側(cè)室抽吸空氣來模擬。Ingber 指出，機(jī)械微環(huán)境對(duì)于獲得體內(nèi)功能至關(guān)重要。該團(tuán)隊(duì)使用這種模擬呼吸系統(tǒng)來測(cè)試納米粒子的毒性。 我們也可以將多個(gè) OOC 連接在一起，創(chuàng)建多器官的“芯片身體”模型。康奈爾大學(xué)（Cornell University）的生物工程師 Michael Shuler 的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制作出了一個(gè)封閉的 OOC 系統(tǒng)。該系統(tǒng)有 14 個(gè)腔室，代表具有“屏障”功能的器官，例如肺部中的肺泡，以及“非屏障”功能的器官，如心臟中的組織。 麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）的生物工程師 Linda Griffith 等人成功建立了一個(gè)十器官系統(tǒng)，其中物質(zhì)可以從一個(gè)器官流到另一個(gè)器官，就像它在身體中的輸送一樣。一些器官，如“大腦”，起源于 iPS 細(xì)胞；而包括“肝臟”在內(nèi)的其它器官則來自細(xì)胞系或其它分化細(xì)胞。該組織可以存活四周，并且該系統(tǒng)具有一定的生物學(xué)功能。例如，從腸道組織進(jìn)入系統(tǒng)的藥物被傳遞到肝臟，在肝臟被代謝。Griffith 表示，該項(xiàng)目費(fèi)時(shí)、費(fèi)力還費(fèi)錢，而且涉及多學(xué)科協(xié)作，不僅需要生物工程師和機(jī)械工程師，還需要建模者將芯片的數(shù)據(jù)解讀成相應(yīng)的人體過程。實(shí)際上，科學(xué)家通常只用連接 2 到 4 個(gè) OOC 就非常合適了。 OOC 的開發(fā)者現(xiàn)在正在著眼于向行業(yè)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)展示該技術(shù)的價(jià)值和有效性。擴(kuò)大 OOC 的使用將需要更易于批量化生產(chǎn)的構(gòu)建方法和高通量應(yīng)用。多個(gè) OOC 連接的系統(tǒng)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是尋找適合所有組織類型的培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件——例如，支持肝細(xì)胞的培養(yǎng)基并不一定適用于肺細(xì)胞。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的模型還需要調(diào)整細(xì)胞數(shù)量和各種芯片的活動(dòng)，以便準(zhǔn)確地模擬這些器官在人體中的功能。Ingber 認(rèn)為，總的來說，OOC 領(lǐng)域?qū)⒆兊酶哂脩粲押眯浴Ｋ呀?jīng)到了即插即用的地步，你不需要成為微系統(tǒng)工程師就能使用 OOC。 展望未來隨著類器官和 OOC 使用的日益廣泛，研究人員下一步便是著手解決更復(fù)雜的問題。Griffith 等人正在將腸道微生物群添加到他們的系統(tǒng)上，如已連接腸道、肝臟和大腦以研究帕金森病的模型。她指出，隨著成本的下降和可重復(fù)性的提高，OOC 可能會(huì)開始替代實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，從而成為人類受試者的替代物。若從工程化的角度出發(fā)，那么在生物學(xué)上我們目前仍處初期階段。我們?cè)撍伎既绾斡眠@些簡(jiǎn)約模型來正確地表征生物系統(tǒng)。 Ingber 的研究小組以類似芯片肺的方式使用 OOC，以創(chuàng)建肺部氣道片來測(cè)試香煙煙霧帶來的影響。該模型允許研究人員分析在吸煙和不吸煙兩種情況下，來自相同人類供體的組織的基因表達(dá)譜的差別。 雖然類器官和 OOC 各有其擁護(hù)者，但其實(shí)二者可以從根本上回答相同的問題。它們之間的界限已經(jīng)模糊。Zhang 希望在接下來的幾年里，能看到將二者結(jié)合，各取所長(zhǎng)的論文。Zhang 倡導(dǎo)所謂的協(xié)同工程：基于自組織和發(fā)育的相關(guān)知識(shí)，開發(fā) OOC 上的類器官。他設(shè)想將 OOC 的受控結(jié)構(gòu)、內(nèi)置讀出和機(jī)械能力與類器官對(duì)組織和器官特征的保真度結(jié)合起來。Lancaster 和其他人正在積極努力，將類器官和 OOC 研究人員聚集在一起——例如，舉辦研討會(huì)分享難點(diǎn)、方法和想法。她指出，對(duì)于科學(xué)而言，合作比各自為戰(zhàn)有效得多。跨領(lǐng)域合作，才能收獲最多。 更多閱讀：芯片模型 類器官和芯片器官（OOC）可用于藥物開發(fā)、化妝品檢測(cè)、毒理學(xué)和個(gè)性化醫(yī)療。以下是它們的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
原文檢索：C. Y. Tachibana. (2018)Stem-cell culture moves to the third dimension. Nature, 558: 329-331. 張潔 / 編譯
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