众所周知，动物模型用于新药研发存在很大的局限性。在测试新疗法时，动物模型中的效用可能不会很好地转移到人类身上，这也是为什么在临床开发过程中存有约 90% 的失败率，低成功率造成了高昂的成本和缓慢的研发进程。此外，在临床试验中使用动物每年数以百万计，由于存在伦理问题，大多数动物在试验结束后被实施安乐死。
制药行业面临的巨大挑战之一是缺乏更好的动物模型替代品。现有的替代方案中，一个是人类细胞培养系统，它提供的更接近最终接受治疗的环境，但无法涵盖完整生物体的复杂性。一个是类器官培养系统，采用自组织细胞簇，在三维空间中生长，非常类似于真实的组织和器官。尽管潜力较大，但也有一些限制因素，例如需要为不同类型的类器官提供最佳培养条件，每种类器官可能包含一系列不同的细胞类型。目前研究人员正在开发另外一种越来越受欢迎的替代系统，称为“器官芯片”（Organs-on-chips, OoCs），是具有人体组织的微生理系统，旨在模拟器官水平的功能，以实现体外人体生理学建模。单独培养一个组织可以使我们深入了解某些器官的功能，但无法探知影响器官对损伤、疾病和治疗反应的系统相互作用。
近日，来自哥伦比亚大学工程学院与欧文医学中心的联合研究团队在 Nature Biomedical Engineering 杂志上发表研究报告，称他们已经以一种新型多器官芯片的形式开发了一个人类生理学模型。该芯片由工程化的人类心脏、骨骼、肝脏和皮肤组成，通过血管流动与循环免疫细胞相连，以重现相互依赖的器官功能。每个组织都在适宜的优化环境中培养，并通过选择性渗透的内皮屏障与血管流分隔开。相互连接的组织在 4 周的培养中保持了它们的分子、结构和功能表型，再现了多柔比星在人体中的药代动力学和药效学特征，允许识别心脏毒性的早期 miRNA 生物标志物，并且相对于独立培养的组织和没有内皮屏障流体相互连接的组织，提高了临床观察 miRNA 反应的预测值。血管连接和表型稳定的成熟人体组织可能进一步促进组织芯片的临床应用。
从人体的工作原理中汲取灵感，该团队构建了一个人体组织芯片系统，在该系统中，通过循环血管流将成熟的心脏、肝脏、骨骼和皮肤组织模块连接起来，从而使相互依赖的器官能够像在人体中一样进行交流。研究人员选择这些组织是因为它们具有明显不同的胚层起源、结构和功能特性，并且受到癌症治疗药物的不利影响，从而可为拟议的疗法提供严格的测试。多组织芯片的设计是为了让工程化人类组织在较长的培养时间（4 周）内进行生理交流，同时保持它们各自的表型（下图 a）。所有组织和内皮细胞在整合前都单独成熟，以建立类似成体的功能，并通过含有循环免疫细胞、细胞因子和细胞外囊泡的血管流连接，内皮屏障将组织和血管流分开。组织室是模块化的，有开放的通道，可以以任何顺序连接，以模拟不同的生理情况（下图 b）。该组织芯片使用一个蠕动泵的单通道，以设定的流速和剪切应力再循环培养基。模块化设计允许组织在通过质量控制后被放入组织芯片中，并使组织的类型、数量和顺序具有可配置性，以适应确切的实验设计。为了验证组织芯片的实用性，研究人员评估了组织表型在 4 周的培养中的维持情况（下图 c）和对多柔比星的反应（下图 d）。
集成的多器官芯片能够维持组织特异性生态位，同时允许器官间相互交流。
该团队创建了组织模块，每个模块都在其优化的环境中，并通过选择性渗透的内皮屏障将它们与公共血管流分开。个体组织环境能够跨越内皮屏障并通过血管循环进行交流。研究人员还将产生巨噬细胞的单核细胞引入血管循环，因为它们在指导组织对损伤、疾病和治疗结果的反应方面发挥着重要作用。为了证明个体化、患者特异性研究的能力，所有组织均来自同一系人类诱导多能干细胞（iPSC），该细胞系从少量血液样本中获得。从 hiPSCs 中提取的组织很难达到并保持组织成熟，而组织成熟是成人生理机能再现的必要条件。在连接组织芯片之前，研究人员分别形成和成熟组织，不同类型的组织需要不同的成熟方案和时间，以及每个组织的质量控制，以最大限度地保持一致性（下图）。为了证明该模型可用于长期研究，研究小组将已经生长和成熟 4 到 6 周的组织在通过血管灌注连接后再维持了 4 周。
工程化人体组织的形成、成熟和表征
为了证明该器官芯片模型可用于研究人体中的重要系统状况，研究小组探究了广泛使用的抗癌药物多柔比星对心脏、肝脏、骨骼、皮肤和血管系统的影响。结果表明，所测量的参数能够再现临床研究报告相一致的结果。与此同时，研究人员开发了一种新的多器官芯片计算模型，用于数学模拟多柔比星的吸收、分布、代谢和分泌。该模型正确地预测了多柔比星代谢成多柔比醇的过程以及它在芯片中的扩散。值得注意的是，多器官芯片还能够准确地识别出一些心脏毒性的早期分子标志物，这也是限制药物广泛使用的主要副作用（下图）。在未来对其他药物的药代动力学和药效学的研究中，多器官芯片与计算方法的结合为临床前到临床的推断提供了更好的基础，并使药物开发管道得到改进。
多器官组织芯片中多柔比星毒性的 PD 模型。
这项研究表明，多器官组织芯片可以作为一个针对病人的模型，对新的治疗方案和药物毒性的生物标志物进行开发测试，因为它能够保持每个组织的生物保真度，同时也允许它们进行交流。该团队接下来将使用该芯片的变体来研究其他类型的疾病，如乳腺癌、前列腺癌转移，白血病、辐射对人体组织的影响，SARS-CoV-2 感染对心脏、肺和血管系统的影响，以及药物的安全性和有效性。该研究团队还在为学术和临床实验室开发一种用户友好的标准化芯片，以促进充分利用多器官芯片推进生物和医学研究的发展潜力。
该研究开发的多器官组织芯片在 4 周的培养过程中维持了不同的人体组织（心脏、肝脏、骨骼、皮肤）的成熟表型，并通过血管流动连接起来。内皮屏障为每个组织提供了适合自身的优化环境，同时使细胞因子、循环细胞和外泌体的交流成为可能。这些条件允许重现多柔比星的临床 PK/PD 谱和心脏毒性的 miRNA 生物标志物。对多器官组织芯片的进一步研究可使患者特定的系统性病变模型成为可能，以测试新疗法和药物毒性的早期生物标志物。然而，这种组织芯片也有局限性。一些可以影响药物 PK/PD 的重要器官（如肾脏、肠道）没有被包括在内，而它们的功能对于研究药物的全身作用非常重要。未来的工作应该继续用不同的给药途径、给药方案、多柔比星以及其他药物组合的代谢和消除来验证该模型。例如，组织芯片中的皮肤组织可以进行外用药物和环境化合物的 PK/PD 研究。与单层组织芯片相比，多器官串联芯片的生物复杂性增加，内皮屏障的作用更加明显。然而，在继续研究人类多器官组织芯片的过程中，仍存有诸多挑战。
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41551-022-00882-6
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