在科幻電影中，我們常常會看到科學狂人直接用人體做實驗，從而快速獲得關于某些藥物的人體數據。在現實中，這嚴重違背醫學倫理，顯然是不可能開展的。但工程組織是一個很好的替代研究模型，它可以模擬人體的生理或病理狀態，幫助科學家們快速測試藥物的有效性和安全性。

值得注意的是，現有的工程組織大多是獨立培養的，不同工程組織的培養條件相差甚遠。因此，如何有機地整合多種工程組織來模擬身體功能和系統性疾病，并且讓這些組織可以像在體內一樣進行生理交流，成為了限制工程組織發展的難題。

近日，美國哥倫比亞大學的研究人員在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 上發表了題為：Amulti-organ chip with matured tissue niches linked by vascular flow 的封面論文。

該研究開發了一種即插即用、只有顯微鏡載玻片大小的多器官芯片。該芯片由心臟、骨骼、肝臟和皮膚等工程組織構成，它們通過血管流動與循環免疫細胞相連，從而實現相互依賴的器官功能的再現。

更重要的是，這種多器官芯片可以為患者量身定制，由于疾病的進展和對治療的反應因人而異，這種芯片最終將使對每個患者的個性化優化治療成為可能。

該項目的負責人、哥倫比亞大學教授 Gordana Vunjak-Novakovic 說道：這對我們來說是一個巨大的成就，我們花了十年時間進行了數百個實驗，探索了無數偉大的想法，建立了許多原型，現在我們終于成功開發了這個平臺！

01  靈感來自人體

實際上，想要把心臟、肝臟、骨骼和皮膚組織等不同的工程組織整合到一個系統中是十分困難的，因為這些組織有明顯不同的胚胎起源、結構和功能特性，并且需要獨特而不同的培養環境。

就像許多仿生學的應用，研究團隊從人體的工作原理中獲得了靈感。他們發現，可以通過模擬循環血管流將成熟的心臟、肝臟、骨骼和皮膚等工程組織模塊連接起來，并使得相互連接的器官能夠像在人體中一樣進行交流。

多器官芯片模型

該研究的第一作者 KaceyRonaldson-Bouchard 博士表示：在保持不同工程組織個體表型的同時提供組織間的交流是一個亟待攻克的難題。我們選擇通過血管循環連接不同的工程組織，這是對我們體內器官連接的方式的一種模仿。

02、優化后的組織模塊可以維持一個月以上

在創建的多器官芯片中，每種工程組織都生活在其最優的培養環境中，并通過選擇性可滲透內皮屏障將其與普通血管流分離。個體組織環境能夠通過內皮屏障和血管循環進行交流。研究人員還將產生巨噬細胞的單核細胞引入血管循環，因為它們在指導組織對損傷、疾病和治療結果的反應方面發揮著重要作用。

通過血管屏障和血管流動實現組織特異性生態位的多器官交流

所有工程組織都來自同一系人類誘導多能干細胞（iPSC），從少量血液樣本中獲得，以證明該系統進行個體化、患者特異性研究的能力。為了證明該模型可以用于長期研究，研究團隊將已經生長成熟的組織保存了4-6周，在血管灌注后再保存4周，這些相互連接的組織保持了其分子、結構和功能表型。

多器官組織芯片培養4周后仍能保持各器官表型

03、利用多器官芯片模型研究抗癌藥物

研究團隊還想證明該模型如何用于人類重要的系統性疾病的研究，例如檢驗抗癌藥物的副作用。他們調查了阿霉素（一種廣泛使用的抗癌藥物）對心臟、肝臟、骨骼、皮膚和血管的影響。研究結果表明，通過多器官芯片模型獲得的測試數據與臨床研究報告十分接近。

不僅如此，團隊還開發了一個新的多器官芯片計算模型，用于藥物的吸收、分布、代謝和分泌的數學模擬。該模型正確預測了阿霉素在芯片內的代謝和擴散。這表明，在未來其他藥物的藥代動力學和藥效學研究中，多器官芯片與計算方法的結合，將為臨床前到臨床提供了更好的基礎，也將有助于改善藥物研發流程。

多器官組織芯片可以預測阿霉素治療的藥代動力學

該項目的負責人、Gordana Vunjak-Novakovic 教授表示，值得注意的是，多器官芯片準確預測了心臟毒性和心肌病，出現這種情況時，通常需要臨床醫生減少阿霉素的治療劑量，甚至停止治療。

總的來說，這項研究開發了一種即插即用、芯片化的多器官模型，該模型可以幫助研究抗癌藥物在人體中的代謝和反應，從而加速藥物的研發。此外，該模型也可以為特定患者量身定制，從而為患者提供最優化的針對性治療策略。

據悉，研究團隊目前正在拓展這種多器官芯片的應用，包括：乳腺癌轉移，前列腺癌轉移，白血病，輻射對人體組織的影響，SARS-CoV-2 對心臟、肺和血管的影響，缺血對心臟和大腦的影響，以及藥物的安全性和有效性。該團隊還在為生物學和臨床實驗室開發一種用戶友好的標準化芯片，以幫助推進生物和醫學研究。

Gordana Vunjak-Novakovic 教授最后補充道：已經研究器官芯片10年的我，仍然為這項研究感到驚嘆，我們可以通過鏈接毫米尺寸的組織來模擬患者的生理機能，包括跳動的心臟、代謝中肝臟、從患者細胞中長出的功能性皮膚和骨骼等等。我們對這種方法的潛力感到興奮，它專為研究與損傷或疾病相關的系統狀況而設計，在能夠保持工程人體組織的生物學特性的同時維持它們之間的相互聯系。這將為個性化治療打開全新的大門，針對具體病人定制治療方法。

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41551-022-00882-6

https://www.engineering.columbia.edu/news/human-organ-chip-tissue-engineering