模擬人體的芯片可代替動物進行前臨床試驗

　　日本京都大學的整合細胞材料研究所（iCeMS）設計出了可以測試藥物對人類細胞副作用的body-on-a-chip裝置。該裝置解決了當前類似微流體裝置的一些問題，并為下一代臨床前藥物試驗提供了新的理念。這項研究于8月24日發表在Royal Society of Chemistry Advances上。

　　微流體設備代替動物進行前臨床試驗

　　現在，以抗癌劑為首的新醫藥品開發有很多困難，需要巨額的費用和長期的時間。這些原因中，特別存在問題的是前臨床試驗。在進行臨床試驗前的前臨床試驗中，有實驗動物的藥效評價、毒性評價試驗等。但是，顯示出與人類不同反應的情況很多，所以在臨床試驗中對藥效和毒性的預測也很難。另外，使用實驗動物，涉及動物保護、倫理上也成為問題。因此新的試驗法的開發變得很重要，要能再現藥劑與人類的反應，并且可以不進行動物實驗。

　　京都大學的這項研究使用“微流體設備”實現了這種目的。使用這個裝置技術，可以模仿人類身體中的血管網和組織。在這個裝置上，搭載了與人類來源的癌細胞和正常的心肌細胞，而且組織之間可以連接。

　　一張芯片上載有兩種連通培養的細胞

　　這種在一個芯片上對心臟/癌癥進行檢測的裝置（iHCC）是用來測試抗癌藥物阿霉素（doxorubicin）對心肌細胞的毒性的。由iCeMS的Ken-ichiro Kamei領導的研究人員發現當藥物本身沒有心臟細胞毒性時，藥物的代謝產物與癌細胞的相互作用會導致其有毒性。

　　該裝置比顯微鏡載玻片還要小一些。它包含六個小室；每兩個由一系列的入口和閥門、通道連接。氣動泵控制流體在通道中的流動。每兩個室和各自的微通道系統構成一個測試床。設備中存在三個測試床，就允許在每個床上引入微小的變化，以便同時比較結果。

　　這樣的體系比細胞培養物更靈敏

　　研究小組首先用分別培養的心臟細胞和肝癌細胞測試阿霉素的影響。藥物對癌細胞具有抗癌作用，沒有造成心肌細胞損傷。

　　然后他們使用iHCC裝置來測試。心臟細胞被放置在一個腔室中，肝癌細胞被放置在另一個。阿霉素被引入到細胞培養基中，通過連接兩個腔室的微通道閉環系統循環，模仿血液循環系統。這樣，藥物在通過兩個小室的連續循環中單向流動。

　　該團隊發現在癌癥細胞和心臟細胞中都出現毒性癥狀。他們推測阿霉素和癌細胞相互作用的代謝副產物——doxorubicinol，是造成毒性作用的原因。

　　為了測試這點，他們向分別培養的心臟細胞和肝癌細胞加入doxorubicinol后，發現它對心臟細胞而不是癌癥細胞有毒性。

　　當阿霉素單獨添加到肝癌細胞中去時，產生的doxorubicinol量太小，而不會對心肌細胞有毒性。該小組認為，這是因為試驗所需量的細胞培養基稀釋了代謝產物。

　　相反，當阿霉素引入iHCC時，流經微通道循環系統造成所需細胞培養基的體積很小，而代謝物不會被稀釋。因此，該藥通過其代謝產物對心肌細胞具有毒性作用。

　　這是一種新的設計理念

　　該裝置還需要進一步改進，但這項研究表明，在昂貴的臨床試驗之前，這種設計理念可以用來研究抗癌藥物對心臟細胞的毒性副作用。這是世界上第一例在芯片上連接多種組織，并確認有相互作用的成功例子。這是人類體外藥劑模仿的模型，這個“人體模型”新設備的功能在研究中得到證實，有著廣闊的前景。