中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

专注于为医疗器械研发与生产服务

2019年 9月25日-27日 | 上海世博展览馆

器官芯片助力新药开发

2018-04-03

新药研发的失败率之高是众所周知的,以抗癌药物为例,全美每年因为研发失败损失的费用在8-14亿美元之间。一方面,依靠动物实验获得临床前数据来预测药物的药效、毒性以及在人体中的PK(药代动力学)参数,是新药研发过程中的“标准操作”。但是由于动物和人的种属间差异,不可避免的造成预测偏差,导致很多药物临床前和临床试验的桥接失败,最终导致开发失利。另一方面,以体外细胞模型来替代动物实验,当前的体外模型主要依靠二维或者简单的三维细胞培养体系,简单快速高通量是它的优势,广泛用于早期化合物的筛选。但是这种通过培养皿和多孔板培养出的简单


细胞模型生理功能不完整,并且没有考虑组织间的相互作用,并不能够准确反映生理状态下的机理,对化合物的选择构成误导。因此,不论是动物实验还是体外实验,都很难准确预测药物在人体中的行为。行业迫切需要与生理功能更相关,精准性更高的药物筛选平台。


 


上世纪90年代,研究微全分析系统(Micro Total Analysis Systems, μTAS)的科学家们提出了基于微流控技术的器官芯片(organ-on-a-chip)概念。做为一种潜在的细胞试验新型工具,在器官芯片研究之初主要是将概念落地,还远没有达到实际应用的目标。近年来,随着技术的成熟,越来越多的资金投入到这一领域,应用前景也明朗起来。本文对器官芯片目前的技术发展现状,以及如何参与药物研发和应用中遇到的问题做了整理。


微流控技术和细胞擦出的灵感


微流控技术整合了微米/纳米技术、化学感应器和分析化学技术。微流控装置通常由像照平印法或软印法等半导体微制造技术制成,可以用于微通道或微结构的化学分析,又被称为“芯片实验室”(Lab-on-a-chip)。就像上面所述,体外细胞评价体系存在细胞失活和生理功能缺失等不足,即使是原代培养细胞也有这些现象。同时,经典方法的细胞培养环境是相对静态的,待测药物加样后主要通过被动扩散进入细胞,这与体内的真实情况差别较大。在体内细胞既可以通过血液获得氧气和营养,也会接受化学和生理的刺激,比如其微环境带来的细胞拉伸和剪应力等。


这些体内外从形态到环境的差异导致了所培养细胞系的功能缺失,为了填补这一巨大空隙,从2000年开始μTAS和组织工程学的研究人员联手开发基于微流控技术的细胞装置,充分发挥其具有液体共振、细胞粘附、机械刺激等优势来复制组织功能,形成了现在的器官芯片的雏形。近年来微制造、细胞工程学、成像技术的发展帮助器官芯片成为体外仿生的创新技术,吸引了美国NIH、FDA、欧洲和日本等政府和机构的资金支持。特别是随着诱导性多能干细胞(iPS)技术的发展,将器官芯片作为组织模型或疾病模型已广泛应用于新药研发中。


器官芯片的应用


目前已有的器官芯片包括肺、肝脏、肾脏和肠道,下面一一介绍。


芯片肺


芯片肺在器官芯片中发展的最早,这种微流控细胞装置又被称为“会呼吸的肺”。哈佛大学的Ingber研究团队发明的芯片肺主要包括一个双层通道结构,由硅树脂和多聚二甲基硅氧烷组成的微孔膜垂直隔开。膜的上层是肺泡上皮细胞,下层是血管内皮细胞,分别给予流动空气和培养基来。除了复制肺细胞的功能,这层微孔膜还可以在两侧通道内部压力改变的作用下做周期性的收缩,模拟肺泡在呼吸时的生理性舒张和收缩运动。利用这种芯片肺,研究人员发现血管内皮细胞在暴露于TNF-α和细菌环境下能够做出炎症应激并高表达ICAM-1。在另一项毒性评价中,微膜在舒展状态下,纳米微粒能够更多的摄取到血管一侧,这与动物实验的观察一致。以上研究都表明芯片肺作为体外疾病模型可以满足新药开发的需求。


芯片肝脏


肝脏在药物代谢过程中所发挥的重要作用不需赘述,新药开发过程中准确预测肝脏对药物的代谢能力和药物在肝脏中的毒性蓄积非常重要。目前的体外实验中所用肝细胞的酶活和功能有缺失。Powers的研究团队用微流控技术构建了三维形态学结构的芯片肝脏,并使其处于持续的灌注状态下。这一装置的每个通道由一个具有留存细胞功能的滤膜和一个细胞培养腔体组成,培养基从上至下灌注每一个通道。根据估算出的细胞耗氧值设置流速,以提供符合生理范围的流体剪应力。研究证明这种芯片肝脏能够使细胞聚集生成肝腺泡结构,并在两周内保持结构及相应的生理功能。


除了结构要尽量仿生,保持肝细胞的极性转运能力也很重要。以中央静脉为中心,肝细胞呈放射状排列成肝细胞索,相邻的肝细胞之间有胆小管,胆汁通过胆小管汇集起来最终通过胆管排泄。胆汁中有很多在肝脏中生物转化而来的药物代谢产物,经过胆管排泄。因此,胆汁排泄在药物代谢体外研究中是个重要内容。Nakao和他的团队发明了一个体外肝小叶模型装置,可以复制肝细胞索的功能。这个装置的细胞培养区将肝细胞平行排成两列,形成与肝细胞索相似的结构。研究发现这些整齐排列的细胞能够沿着细胞索生长形成胆管结构。研究人员利用药物CDFDA来测试该芯片的代谢功能,CDFDA能够在肝酯酶的作用下代谢为一种荧光产物CDF,再通过胆汁排泄。载有CDFDA的培养基流过该装置的血管通道后,在细胞形成的“胆管”结构中检测到了CDF。这一结果证明应用微流控技术制造的芯片肝脏可以模拟组织形态及相应的生理功能。



基于微流控技术的各器官芯片(图片源自参考文章)


芯片肾脏


肾脏在体内负责药物代谢和排泄。在临床前筛选阶段,评价候选化合物的肾脏蓄积和毒性通常要做动物体内实验,目前还没有更好的体外模型。由种属肾毒性差异造成的药物失败也不在少数,发展出高效准确的体外肾毒性评价体系是新药研发迫切需要的。进一步说,如果有一个体外模型不仅能够预测肾毒性,还能反应肾脏疾病背后的机理,用于相关药物的筛选,则是更好不过了。


时下的芯片肾脏是在芯片微通道底层铺就MDCK细胞系和人源HK-2细胞系,再施以相应的剪应力。研究表明这种细胞构造可以逐渐呈现厚度增加,Na/K ATP酶表达提高和纤毛形成,基本达到模拟肾细胞生理功能的目的。另一种模拟肾小管重吸收的微孔膜芯片模型,是通过在基底侧通道加入vasopressin和aldosterone等激素,制造基顶侧包括盐浓度和渗透压改变的生理应激。研究人员发现剪应力不仅能调整细胞生长方向,还能促进Pgp蛋白的表达、纤毛生长和细胞白蛋白葡萄糖的吸收。Musah团队利用微流控技术和人源iPS衍生的足状突细胞复制了肾小球结构。能够模仿包括剪应力的生理功能,可以作为体外肾脏模型筛选癌症药物。以上结果说明即便结构和功能复杂如肾脏,利用微流控芯片技术也能得到保持基本肾脏功能的体外模型。


芯片肠道


作为主要负责消化和吸收的组织器官,肠道特别是小肠对口服药物起到屏障的作用,预测其吸收功能对新药研发十分重要。Kimura的研究团队发明了一种搭载光探测系统的小肠芯片装置。包括两个膜上培养Caco-2细胞的微孔膜隔开的独立腔体,该肠芯片具有转运体功能,可以评价药物的吸收,但是生理功能不完整。Kim的研究团队发明的芯片肠道能够模拟剪应力和周期性拉伸等生理刺激,暴露在这种仿生环境里的Caco-2细胞能够自发生长出绒毛并进行细胞分化。为了复制更复合体内的生理环境,研究人员又将这一系统的肠道细胞与很多共生菌一起孵育。改进的芯片肠道能够得到与之前动物实验或人体实验相同的结果,表明芯片肠道可以作为肠道生理功能和疾病机理评价的体外平台。


“身体”芯片


利用微流控技术制备器官芯片是一回事,将不同器官芯片再相互关联,组成更复杂的“身体”芯片又是另一回事,因为想要精准预测各组织器官间的相互作用是很困难的。类似的装置已经有所尝试,利用这种芯片可以得到药物连续的PK和ADME(吸收、分布、代谢和排泄)数据,并利用这些参数建模来预测药物在人体中的代谢过程。


Shuler和他的同事从事生物工程领域前沿研究,他们发明了一种包括多个组织腔室,将不同组织细胞共同培养的身体芯片,称为uCCA (micro cell culture analog)。研究人员利用该芯片系统对比了抗肿瘤药物Tegafur在PO和IV两种给药途径下的组织器官间相互作用,结果证明该系统可以很好的得出与动物实验相似的数据。Imura的研究团队也制造了另一款身体芯片,集成了小肠细胞的吸收功能,肝脏细胞的代谢功能,肾脏细胞的排泄功能。利用该芯片对一系列不同吸收程度和治疗机制的抗肿瘤药物进行了对比实验,得到的药效差异证明了装置的可行性。虽然以上芯片装置模拟了器官间的相互关联,但是获得的参数不能直观反映生理功能。Kimura的研究团队制造的身体芯片纳入了体内的各项生理参数,比如组织容积比和血流量等,可以用于抗肿瘤药物药效评价。



基于PBPK原理打造的“身体”芯片(图片源自参考文章)


必须承认的是,这些身体芯片技术还远称不上成熟,它们不能够复制所有体内的生理功能。其实身体芯片的重要意义到不在于真的创造一个复杂的“微型人体”,而是利用体外技术来揭示药物在体内各器官间的相互作用和代谢转化途径,并利用获得的参数建模预测药物体内过程。换而言之,身体芯片需要与PK模型合用来预测和解释机理及现象。以上所介绍的身体芯片可以应用于不同的药理毒性研究,通过引入不同细胞和基质来获取数据,再结合数学模型来构建PK预测的评价体系。


器官芯片发展面临的挑战


尽管发展迅速,但是器官芯片还不能代替动物实验,在芯片技术和生物机理两个方面都有各自的瓶颈。首先是器官芯片检测技术的短板,时下的评价体系无外乎直接观察或者测量功能参数。但是最有应用价值的体外模型应该是具备观察和记录对不同生物刺激信号产生特定生理应答的系统。因此我们需要继续发展检测技术和生物化学技术,使得在微流控装置的微缩空间内能够更好的完成生物化学分析。其次,复杂的微流控芯片制备过程也限制了这一技术的发展,只有实现自动化制备,器官芯片才能真正推广开来。此外,还有一个生物学问题就是细胞系的来源,目前使用的永生细胞系多是来源于组织功能缺失的肿瘤细胞;原代人源细胞的使用虽然能够相对准确的预测PK参数,但是也有捐赠来源和花费的问题。也许将来人源iPS诱导细胞的广泛使用可以弥补这方面的不足。


虽然时至今日,尚无器官芯片在药物开发中成功应用的例子,但是器官芯片无疑是一个很有应用前景的药物开发辅助工具。交叉技术的发展往往面临相同的问题,那就是跨学科的技术沟通。就像器官芯片的研发,生物科学家知道问题出在哪里,但是不知道如何解决;而工程技术人员知道如何制造芯片,但是他们并不知道它能够解决什么问题。只有将医学、制药、生物和工程学各领域的技术整合,才能让器官芯片百尺竿头,更进一步,更好的为人类健康服务。


来源:药渡