在制藥行業(yè)，新療法的開(kāi)發(fā)需要經(jīng)過(guò)一系列長(zhǎng)期的測(cè)試和嚴(yán)格的政府審查。從理論到藥物批準(zhǔn)的漫長(zhǎng)歷程充滿了挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)無(wú)疑是目前的測(cè)試方法，即在進(jìn)行人體試驗(yàn)之前先進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。除了面臨倫理方面的批評(píng)外，在不同生物體上測(cè)試藥物也存在差異。即便如此，最新數(shù)據(jù)顯示，僅在美國(guó)，每年就有超過(guò)1.1億只動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)室中被處死。

3D打印的器官芯片，圖片來(lái)自：Alex Parrish/弗吉尼亞理工大學(xué)

那么我們能做些什么呢？事實(shí)上，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）最近宣布撥款180萬(wàn)美元用于一個(gè)項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)解決方案，終止這種類型的測(cè)試。該團(tuán)隊(duì)匯集了來(lái)自佐治亞理工學(xué)院、弗吉尼亞理工學(xué)院和哈佛醫(yī)學(xué)院等多家機(jī)構(gòu)的專家，并由3D打印微流體公司Phase Inc.的聯(lián)合創(chuàng)始人Jeff Schultz領(lǐng)導(dǎo)。

“芯片器官”是如何產(chǎn)生的？

事實(shí)上，所有團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)在這一研究領(lǐng)域合作多年。從現(xiàn)在開(kāi)始，他們將結(jié)合自己的專業(yè)知識(shí)和Phase Inc.的3D打印技術(shù)來(lái)克服剩余的挑戰(zhàn)。這種創(chuàng)新方法利用了器官芯片技術(shù)，其中由微流體制成的小型設(shè)備模擬人體器官的功能。通過(guò)在這些基于細(xì)胞的平臺(tái)上測(cè)試藥物，研究人員可以獲得有關(guān)藥物在人體中如何發(fā)揮作用的更準(zhǔn)確、更可靠的數(shù)據(jù)。

藥物研發(fā)中最重要的障礙之一是血腦屏障，這是一種由血管和組織組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，它只允許水和氧氣等必需物質(zhì)通過(guò)，同時(shí)阻止有害物質(zhì)通過(guò)，從而保護(hù)大腦。很多有前途的藥物在臨床試驗(yàn)中失敗，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法跨越這一屏障。

該團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵成員Rafael Davalos強(qiáng)調(diào)了這一挑戰(zhàn)：“臨床試驗(yàn)中治療失敗的原因是它們無(wú)法穿過(guò)血腦屏障?，F(xiàn)實(shí)情況是，實(shí)驗(yàn)室制造的設(shè)備不起作用，它們?cè)试S過(guò)多物質(zhì)通過(guò)。這給出了分子可以通過(guò)的錯(cuò)誤信息，當(dāng)你進(jìn)入臨床試驗(yàn)時(shí)，藥物會(huì)失效，因?yàn)槿祟惔竽X的情況沒(méi)有得到正確的復(fù)制。”為了解決這個(gè)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)正在使用Phase公司專有的3D打印方法，以前所未有的精度開(kāi)發(fā)微流體，創(chuàng)建血腦屏障和其他器官的真實(shí)模型。

Jeff Schultz（左）和Rafael Davalos（右），圖片來(lái)自：Phase Inc

Jeff Schultz在3D打印方面的專業(yè)知識(shí)對(duì)這個(gè)項(xiàng)目起到了重要作用。通過(guò)設(shè)計(jì)模擬人體靜脈曲率、大小和功能的微流體裝置，Schultz旨在復(fù)制人體的動(dòng)態(tài)環(huán)境。這種方法可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行藥物測(cè)試，比傳統(tǒng)的平面細(xì)胞培養(yǎng)方法更接近真實(shí)情況。

“我們正在構(gòu)建一種比其他微流體更真實(shí)地模擬人體幾何形狀的設(shè)備，”Schultz解釋道?！袄?D打印的設(shè)計(jì)自由度，我們可以制造出具有與人體相同的曲率、靜脈大小和功能的設(shè)備。我們可以放入類似于心臟的瓣膜，這些瓣膜可以適應(yīng)脈動(dòng)的機(jī)械應(yīng)力。這讓我們有機(jī)會(huì)看到比細(xì)胞平放在培養(yǎng)皿中更接近現(xiàn)實(shí)的結(jié)果，這種結(jié)果在其他傳統(tǒng)的微流體設(shè)備中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但尚未應(yīng)用于血腦屏障?！?br />
通過(guò)創(chuàng)建這些合成模型，該團(tuán)隊(duì)希望徹底改變藥物測(cè)試流程，提供一種比動(dòng)物測(cè)試更可靠、更符合倫理、更人性化的替代方案。這可以實(shí)現(xiàn)更快、更安全、更有效的藥物開(kāi)發(fā)，最終改善無(wú)數(shù)人的生活質(zhì)量。

在制藥行業(yè)，新療法的開(kāi)發(fā)需要經(jīng)過(guò)一系列長(zhǎng)期的測(cè)試和嚴(yán)格的政府審查。從理論到藥物批準(zhǔn)的漫長(zhǎng)歷程充滿了挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)無(wú)疑是目前的測(cè)試方法，即在進(jìn)行人體試驗(yàn)之前先進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。除了面臨倫理方面的批評(píng)外，在不同生物體上測(cè)試藥物也存在差異。即便如此，最新數(shù)據(jù)顯示，僅在美國(guó)，每年就有超過(guò)1.1億只動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)室中被處死。

3D打印的器官芯片，圖片來(lái)自：Alex Parrish/弗吉尼亞理工大學(xué)

那么我們能做些什么呢？事實(shí)上，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）最近宣布撥款180萬(wàn)美元用于一個(gè)項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)解決方案，終止這種類型的測(cè)試。該團(tuán)隊(duì)匯集了來(lái)自佐治亞理工學(xué)院、弗吉尼亞理工學(xué)院和哈佛醫(yī)學(xué)院等多家機(jī)構(gòu)的專家，并由3D打印微流體公司Phase Inc.的聯(lián)合創(chuàng)始人Jeff Schultz領(lǐng)導(dǎo)。

“芯片器官”是如何產(chǎn)生的？

事實(shí)上，所有團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)在這一研究領(lǐng)域合作多年。從現(xiàn)在開(kāi)始，他們將結(jié)合自己的專業(yè)知識(shí)和Phase Inc.的3D打印技術(shù)來(lái)克服剩余的挑戰(zhàn)。這種創(chuàng)新方法利用了器官芯片技術(shù)，其中由微流體制成的小型設(shè)備模擬人體器官的功能。通過(guò)在這些基于細(xì)胞的平臺(tái)上測(cè)試藥物，研究人員可以獲得有關(guān)藥物在人體中如何發(fā)揮作用的更準(zhǔn)確、更可靠的數(shù)據(jù)。

藥物研發(fā)中最重要的障礙之一是血腦屏障，這是一種由血管和組織組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，它只允許水和氧氣等必需物質(zhì)通過(guò)，同時(shí)阻止有害物質(zhì)通過(guò)，從而保護(hù)大腦。很多有前途的藥物在臨床試驗(yàn)中失敗，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法跨越這一屏障。

該團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵成員Rafael Davalos強(qiáng)調(diào)了這一挑戰(zhàn)：“臨床試驗(yàn)中治療失敗的原因是它們無(wú)法穿過(guò)血腦屏障?，F(xiàn)實(shí)情況是，實(shí)驗(yàn)室制造的設(shè)備不起作用，它們?cè)试S過(guò)多物質(zhì)通過(guò)。這給出了分子可以通過(guò)的錯(cuò)誤信息，當(dāng)你進(jìn)入臨床試驗(yàn)時(shí)，藥物會(huì)失效，因?yàn)槿祟惔竽X的情況沒(méi)有得到正確的復(fù)制。”為了解決這個(gè)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)正在使用Phase公司專有的3D打印方法，以前所未有的精度開(kāi)發(fā)微流體，創(chuàng)建血腦屏障和其他器官的真實(shí)模型。

Jeff Schultz（左）和Rafael Davalos（右），圖片來(lái)自：Phase Inc

Jeff Schultz在3D打印方面的專業(yè)知識(shí)對(duì)這個(gè)項(xiàng)目起到了重要作用。通過(guò)設(shè)計(jì)模擬人體靜脈曲率、大小和功能的微流體裝置，Schultz旨在復(fù)制人體的動(dòng)態(tài)環(huán)境。這種方法可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行藥物測(cè)試，比傳統(tǒng)的平面細(xì)胞培養(yǎng)方法更接近真實(shí)情況。

“我們正在構(gòu)建一種比其他微流體更真實(shí)地模擬人體幾何形狀的設(shè)備，”Schultz解釋道?！袄?D打印的設(shè)計(jì)自由度，我們可以制造出具有與人體相同的曲率、靜脈大小和功能的設(shè)備。我們可以放入類似于心臟的瓣膜，這些瓣膜可以適應(yīng)脈動(dòng)的機(jī)械應(yīng)力。這讓我們有機(jī)會(huì)看到比細(xì)胞平放在培養(yǎng)皿中更接近現(xiàn)實(shí)的結(jié)果，這種結(jié)果在其他傳統(tǒng)的微流體設(shè)備中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但尚未應(yīng)用于血腦屏障?！?br />
通過(guò)創(chuàng)建這些合成模型，該團(tuán)隊(duì)希望徹底改變藥物測(cè)試流程，提供一種比動(dòng)物測(cè)試更可靠、更符合倫理、更人性化的替代方案。這可以實(shí)現(xiàn)更快、更安全、更有效的藥物開(kāi)發(fā)，最終改善無(wú)數(shù)人的生活質(zhì)量。