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新凝胶支持肝脏芯片设备,哈佛与麻省理工3D打印带血管的肝脏芯片

2020-04-11 23:22

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LiU的科学家开发了一种新方法来生产水合物质,水凝胶,其性质类似于体内细胞的自然环境。该材料可以适应难以培养的细胞类型的各种要求,并在微芯片上产生器官样结构。

据南极熊了解,日前,结合了来自哈佛、麻省理工等全球七个机构的科学家团队的最新肝脏组织研究,科学家们结合在3D生物打印、微流体芯片和水凝胶生物支架等多方面的综合知识将体外肝脏药物测试推向了另一个高度。3D打印的肝脏芯片用于药物测试能够更安全、更可靠的进行,且更适合动物和人类的疾病研究。这项研究的地点集中在哈佛大学医学院和麻省理工学院的卫生科学和技术部门。根据“纽约时报”2015年发表的数据,每5,000种新的药物成分组合中只有一种能够通过层层测试最终成为批准上市的药物。

在实验室培养的细胞有许多应用,其中之一是测试各种新物质是否会损害细胞。一种称为片上器官的快速发展的技术涉及在小芯片上培养来自人体器官的细胞,并提供氧气和营养物质。科学家们正在尝试开发越来越复杂的模型,模拟组织或完整器官在体内的功能。这些模型可以用于医学研究的许多领域,例如测试潜在的药物,并且从长远来看,可以取代一些动物实验。

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然而,培养人体细胞并不容易。它们通常具有非常特殊的要求,并且容易死亡。在体内,细胞被称为基质的支撑结构包围。这是一种水合凝胶,主要由蛋白质和碳水化合物组成。细胞的环境从一种组织类型到另一种组织类型不同,并且对细胞功能具有重大影响。LiU的研究人员正在开发软材料,模仿身体细胞的自然环境,用于细胞培养。

由Ali Khademhosseini和Su Ryon Shin带领的科学家团队通过人类细胞的培养从而制造出肝脏芯片,这个芯片的特殊之处不仅仅在于使用的是人类的细胞,还在于拥有匹配的血管结构,可以给组织细胞输送营养。

我们的新材料可以在很大范围内调整性能。新的功能,例如细胞所需的小蛋白质片段,可以被合并,这样即使是挑剔的细胞也可以复制和发挥作用,Daniel Aili说道,他和Carl-Fredrik Mandenius一起领导了这项研究。两人均在物理,化学和生物学系(IFM)工作。

首先,将人类肝脏细胞与凝胶结合以制成组织结构。将藻类的墨水排列打印成肝脏中的血管,随后藻类油墨溶解,在凝胶的中心留下中空通道。使用注射器,将脐静脉内皮细胞泵入中空通道并呈现血管的形状。引进血流时,通道呈现完全血管化的特征。

该材料在生物制造的文章中描述,由两种在水中混合的组分和活细胞组成。发生化学反应,使组分形成水合凝胶,水凝胶,类似于天然存在的基质。这种化学反应是自发发生的,不会影响细胞。科学家们对水凝胶特性进行了广泛的测试,并将其与其他常用材料进行了比较。

然后将该微流体芯片放置在生物反应器内部,保持细胞生长和增殖的恒定条件。实验结果表明,“生物打印血管并与生物反应器的集成有助于创建更接近于现实的肝脏芯片,缩小体外和体内药物测试之间的差距。带血管的肝脏芯片有助于观察和预测微循环水平的药物毒性机制。

我们可以在很大范围内调整水凝胶的机械性能。我们还可以控制凝胶的形成速度:重要的是不要太快或太慢,Daniel Aili说。

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肝脏在测试新药物时很重要,因为肝脏处理了我们服用的许多药物。出于这个原因,研究人员使用水凝胶测试了使用干细胞培养的肝细胞来制造人体肝脏。研究小组能够调整材料,使这些相当苛刻的细胞能够扩散和发挥作用。在其基本配置中,水凝胶不含蛋白质,但研究人员在材料中包含了在人体肝脏周围组织中发现的重要蛋白质的合成片段。当他们将这种蛋白质模拟组分添加到水凝胶中时,芯片上的肝细胞开始产生白蛋白,就像肝脏在体内一样。实验室外套中的年轻人与水凝胶一起工作。

在肝脏器官芯片的商业化领域,美国食品药品监督管理局已经开始测试一种肝脏芯片。这是一种模拟人类器官生物功能的迷你模型,FDA将测试它是否可以有效地为人体对食物以及食源性疾病的反应建模。这些实验能帮助FDA决定,医药公司在为可能具有毒性的新化合物提出批准申请时,是否可以用芯片数据替代动物试验数据。监管机构尝试用器官芯片替代动物试验,这在全球范围内是首次。

我们材料的主要意义可能在于开发有用的肝脏模型,可用于简化药物开发的早期阶段。对于想要控制细胞培养物质含量的人来说,我们的水凝胶非常有趣。并且它很容易适应不同类型的细胞和组织,Daniel Aili说。

2017年4月11日,FDA食品安全部门的毒理学高级顾问Suzanne Fitzpatrick在一则博客上公布了FDA的这一动向。虽然这类芯片是被设计用于测试药物的,但Fitzpatrick所在的部门也想用它们来试一试单个器官对膳食补充剂和化妆品等产品的反应。他们还能用器官芯片来测试食源性病原体影响特定器官的具体过程。FDA的食品安全科学家们将首先评估人类肝脏芯片,接着会测试肾脏、肺和肠道模型。

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