哈佛團隊利用「器官晶片」系統助力新藥研發:可體外預測體內藥物代謝

藥物開發是一個艱巨而昂貴的過程，並且在測試新藥在人體中的安全性和有效性的臨床試驗中，失敗率仍然很高。根據目前的估計，所有被測藥物中只有13.8％表現出了最終的臨床成功，並獲得了美國食品藥物管理局（FDA）的批准。關於動物研究以及尋找替代品的問題也越來越多。

為了幫助解決藥物開發中的這一瓶頸，唐納德·英格伯（Donald Ingber）和他的哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所（Harvard’s Wyss Institute for BiologicallyInspired Engineering）的團隊開發了第一個人類「器官晶片」（organ chip-on-chip）模型。該模型概括了人體器官的生理水平以及具有高保真度的病理生理學，這在2010年的《科學》雜誌上已有報導。

器官晶片是一種微流體培養裝置，由透明的柔性聚合物組成，其大小與計算機記憶棒的大小相同，該聚合物包含兩個平行的空心通道，這些通道被多孔膜隔開。器官特異性細胞在其中一個通道的膜的一側培養，而血管內皮細胞在另一條通道上重現血管，而每個通道都分別灌注有細胞類型特異性培養基。多孔膜允許兩個隔室相互連通，並交換分子，例如細胞因子、生長因子和藥物，以及由器官特異性代謝活動產生的藥物分解產物。

臨床前測試中需要動物的一個例子是藥物「藥代動力學」（PK）的表徵，其中涉及對其吸收、分布、代謝和排洩（ADME）的量化，這共同決定了血液中的藥物水平。這些反應涉及通過包含流動血液的脈管系統連接的不同器官之間的相互作用。

由於器官晶片包含內皮細胞內襯的血管通道，因此Ingber在2011年提出，可以通過在許多不同類型的器官晶片的血管通道之間轉移流體來創建人類「晶片上的人體」 ，並評估整個連結系統中的藥物PK / PD行為。受到這一願景和認識到現有的以動物為基礎的開發計劃不足以應對生物威脅情況下加速發展藥物對策的需求的啟發，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在2012年申請了贈款申請，這似乎是不可能的挑戰：開發10種類型的器官晶片，以概括10種不同人體器官的複雜功能，設計一種自動化儀器以將它們流體連接起來以創建功能性人體晶片平臺，並利用計算模型以及由此產生的實驗數據來進行組合平臺來定量預測體外人藥PK/PD行為。

不過現在，《自然生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）上的兩篇出版物已經報導了Wyss團隊在完全實現這一目標方面所取得的成功。

哈佛大學和特拉維夫大學（TAU）的一支由50多名研究人員組成的團隊已成功構建了人類的「晶片上的器官」（organs-on-chips），他們說這將使科學家能夠更好地預測試驗期間人類對藥物的反應、儘早發現副作用等風險，從而加快藥物開發，並且可以為某些動物測試提供替代方法。

該團隊共創建了8個微晶片，以概括人體器官的構造和功能，包括肺、肝、腸、腎臟、皮膚、骨髓、大腦和血腦屏障。研究人員們還建立了一種自動儀器，可以將多達10個「器官晶片」流體連接起來，以創建他們所謂的「功能性人體晶片平臺」（a functional human Body-on-Chips platform）。

「我們很高興獲得DARPA的大量資金支持來應對這一挑戰，現在，我們更加自豪地成功實現了他們的目標，如果沒有出色的才能，跨學科精神和傑出的團隊，這是不可能實現的。」Ingber教授表示。

據悉，Wyss Institute團隊設計了一種多人器官晶片系統，該系統具有人體腸道晶片、肝晶片和腎晶片，其血管通道通過中央動靜脈（AV）流體混合容器連接，並且其器官特定通道被獨立灌注。在藥物測試實驗中，他們將尼古丁添加到腸道晶片上皮通道的內腔中，以模擬藥物的口服攝取，該藥物首先通過腸壁，然後通過血管系統到達新陳代謝的肝臟，最後排到腎臟。

Wyss團隊在其第一篇文章中介紹了高度模塊化的片上機體平臺，該平臺由工程化的「詢問器」（Interrogator）儀器提供支持，該儀器可培養多達10種不同的器官晶片，並在其內襯血管的血管通道之間依次轉移流體模仿人體不同器官之間正常的人體血液流動。該研究題為「多個血管化器官晶片的機器人流體耦合和詢問」（Robotic fluidic coupling and interrogation of multiple vascularized organ chips）。

在第二篇題為題為「多個血管化器官晶片的機器人流體耦合和詢問」（Robotic fluidic coupling and interrogation of multiple vascularized organ chips）的文章中，研究小組使用計算縮放方法將藥物實驗中獲得的數據轉換為真實人體中三種不同類型的流體連接器官晶片，並將它們轉換為各自的器官尺寸。該方法能夠定量預測藥物水平隨時間的變化以及器官特異性毒性，而這些變化先前已在人類患者中進行過測量。

使用「詢問器」（Interrogator），團隊可以在多器官晶片系統中培養、灌注和連結許多人類活的組織培養物，並使用該設備的自動液體傳輸功能以完全可編程的方式添加和採樣培養基，同時持續監控集成顯微鏡的組織完整性。

「在這項研究中，我們使用高度優化的普通血液替代品，依次連接了八個不同器官晶片的血管通道，包括腸、肝、腎、心臟、肺、皮膚、血腦屏障和大腦，同時獨立地灌注了個體器官特異性細胞排列的通道。該儀器在3周的時間內保持了所有組織的活力及其特定器官的功能，重要的是，它使我們能夠定量預測整個系統中化學物質的組織特異性分布。」 威斯研究所（Wyss Institute）的一名高級工程師Novak表示，他與自己的生物工程團隊一起設計、製造和操作了Interrogator儀器。

在第二項研究中，研究小組使用了Interrogator儀器來支持相互連接的三個不同器官晶片的兩個不同配置，以及與中央動靜脈（AV）流體混合儲液罐相連的結構，該儲液罐有助於重現栩栩如生的血液和藥物之間的交換。研究人員使用單個器官，同時還提供了一種進行血液採樣的方法，該方法將模仿從外周靜脈抽取的血液。研究人員將人類腸道晶片與肝晶片和腎晶片相結合，並向腸道晶片上襯的腸道晶片通道中添加尼古丁，以模擬該藥物的口服給藥，該藥物首先通過腸壁並通過血管系統到達肝臟，代謝後經腎臟排出。

通過質譜分析，Wyss團隊量化了所有不同器官晶片的AV儲存器和血管通道流出物中的尼古丁含量，然後使用新開發的仿生定標方法對數據進行了擬合，該方法可以將其從器官的尺寸轉化出來切碎到人體中實際器官的尺寸。首次將這種計算方法與人體器官晶片實驗數據相結合，證明了能夠對藥物吸收和代謝進行建模的能力，並能夠定量預測以前在人類臨床試驗中觀察到的藥物血藥濃度（PK）的動態變化。定標方法還解決了藥物在實驗系統中吸附到材料中的難題，由合著者Andrzej Przekwas和他在阿拉巴馬州Huntsville的CFD研究公司的團隊開發。

（上圖說明了使用「詢問器」系統進行模擬口服給藥的過程）

Ben說：「由此得出的最大尼古丁濃度計算值，尼古丁到達不同組織隔室所需的時間以及我們基於體外的計算機模擬模型中肝碎片的清除率與患者之前的測量結果非常相似。」 

該團隊採用第二種多器官晶片配置，包括與流體相連的肝、腎和骨髓晶片，該團隊研究了順鉑的藥理作用，順鉑是一種常用於癌症治療的化學治療藥物，通過靜脈給藥，對腎臟顯示出有害的毒性和骨髓。共同第一作者安娜·赫蘭德（Anna Herland）說：「我們的分析概括了順鉑對患者的藥效學作用，包括減少不同血細胞類型的數量和增加腎臟損傷的標誌物。」

「此外，該系統的體外到體內翻譯功能還提供了有關順鉑（cisplatin）如何被肝臟和腎臟代謝和清除的定量信息，這將使其更準確地預測藥物的吸收、分布、代謝、排洩和毒性。」 目前在KTH皇家理工學院和瑞典斯德哥爾摩的Karolinska研究所擔任副教授的Herland則補充道。

Maoz是第二項研究的第一作者，也是帕克實驗室Wyss研究所的前技術開發研究員，他目前是以色列特拉維夫大學的助理教授。他指出：「這項工作的優勢之一是，我們能夠證明我們植入晶片系統中的藥物與臨床試驗中獲得的結果相似。」 

根據該團隊的說法，他們的平臺具有通過提供實用，可靠，相關的測試供人類使用的藥物的系統來解決藥物開發中當前局限性的能力。 他們的模型可以定量預測藥物水平如何變化，研究人員說這是以前從未實現的。

Ingber則充滿信心地表示：「我們希望證明使用器官晶片技術可以達到這種仿生水平，這將引起製藥行業的更大興趣，以便隨著時間的推移逐漸減少動物試驗的數量。」

Ingber教授在一份聲明中表示：「我們的方法的模塊化以及針對其他人體晶片方法的多種組織的多種經過驗證的器官晶片的可用性，現在使我們能夠制定策略，以更廣泛地對藥物的藥理學做出現實的預測，」他補充說。 「它的未來使用可能會大大提高I期臨床試驗的成功率。」

Maoz博士則稱，科學家們希望他們的研究將「通過提供一種實用、可靠、相關的測試供人類使用的藥物的系統來彌合目前藥物開發局限性的差距。」

Organ Chip技術獲得了Wyss Institute發起的新興公司Emulate的許可，Emulate現在正在進一步開發該技術和自動化儀器並將其商業化，以「將這些重要的研究工具帶給生物技術、製藥、化妝品和化學公司以及學術界機構和醫院提供個性化醫學。」

研究人員認為，器官晶片「本質上是整個活器官主要功能單元的活的三維橫截面」，並且「提供了理想的微環境來研究分子和細胞規模的活動，這些活動是人體器官功能的基礎並模仿人類特定的疾病狀態，並在體外確定新的治療靶標。」

Ingber教授則表示：「在我們的學術實驗室中，我們在微工程學方面取得了改變遊戲規則的進步，並且在短短的幾年內，它已成為一項有望對社會產生重大影響的技術。」

參考資料：https://nocamels.com/2020/02/tau-harvard-researchers-human-body-chip-drug-response/

https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/01/human-body-on-chip-platform-may-speed-up-drug-development/

https://www.drugtargetreview.com/article/55550/body-on-chip-technology-resolving-current-limitations-in-drug-discovery/

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