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器官芯片将取代动物实验 精准医疗可期

论恒 中字

半导体产业的芯片概念开始应用到生技医疗领域,其中“器官芯片”将逐渐取代动物实验,长远目标是针对不同病患量身订制药物,达到精准医疗目的。

器官芯片将取代动物实验 精准医疗可期

半导体产业的系统单芯片(System on Chip, SoC),是把多样功能整合成在一颗芯片里,再透过硅来移动电子,进而使系统运作,让电子产品发挥功能。 然这里所指的“器官芯片”(Organs-on-chips),则是将微量的化学物质或微生物送到模仿完整器官(如肺脏、心脏等)结构和功能的单元芯片,仿真出相同化学物质放到真实人类器官中,所可能会发生的状况。

换句话说,器官芯片不是创造人类整个完整器官,而是仿真人体器官中的最小功能单元,实现药物或化学物质在非活体环境(in vitro)中,研究活体环境(in vivo)的交互反应,用来了解、评估疾病、药物、化学物质与食物等对人类影响的3D芯片装置。

2015年英国年度设计奖,不是颁给谷歌的无人车,也不是清除海洋塑料计划,而是颁给美国哈佛大学韦斯生物启发工程研究所的器官芯片;这是英国年度设计奖,首度由医学领域获得大奖。 现代美术馆(MoMA)也将器官芯片纳为永久收藏。

动物实验成效未必适用人体

以韦斯生物得奖作品为例,就是仿真人类肺脏的器官芯片。 韦斯生物将半导体芯片的概念导入,将活的人体器官细胞植入芯片,使芯片可以仿真细胞在人体内的环境。 其芯片的主要架构,是在槽道中设置三个并列的流体信道,两边的信道是真空信道,中间的信道则是植入细胞的信道。

为了仿真肺脏构造,韦斯生物在中间信道的正中间放置一层布满小孔的生物薄膜,并在薄膜上铺满一层肺泡细胞,薄膜的另一面铺满血管细胞。 因此,薄膜上面可以流通空气,下面可以流通血液。

另外,两侧的真空信道也设计成可收缩的结构,可以同时带动中间的信道一同收缩,于是肺泡细胞也跟着收缩,再将空气与血液导入芯片,就可仿真正常肺脏运行环境。 同样地,如果要仿真肺脏感染或对特殊物质的反应,只要将病毒、养分、细胞或相关物质导入器官芯片,即可透过显微镜“看到”接下来可能发生的变化。

德国康斯坦茨大学毒理学教授Marcel Leist曾说:“人类绝对不等于70公斤的老鼠。 ”一语道出传统临床实验中的关键问题。

因为人类与动物的生理结构不同,为了实验需求,常将人类独有的癌细胞或其他病原,移植到老鼠、兔子或是猴子身上;问题是,即使在动物实验阶段结果良好,也无法保证转换到人类身上时,同样安全或同样有效果。 据统计,至少30%药物分子没有机会上市,就是因为毒性或人体肝脏无法代谢;这也是很多药无法通过临床一期(确认毒性)或临床二期(确定剂量及效性)的原因。

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