新的微流体平台评估人体器官与没有风险的药物的相互作用

麻省理工学院工程师设计了一种微流体平台，可以将工程组织从多达10个器官连接，允许它们复制人机相互作用。图像：菲利斯·弗兰克尔（Felice Frankel）

麻省理工学院工程师开发了新技术，可用于评估新药，并在药物在人类测试中检测可能的副作用。使用从多达10个器官连接工程组织的微流体平台，研究人员可以一次准确地复制人体器官相互作用，允许它们测量药物对体内不同部位的影响。

这种系统可以揭示，例如，用于治疗一个器官的药物是否对另一个机构产生不利影响。

“其中一些效果非常难以从动物模型预测，因为导致他们的情况是特质的情况，”生物工程和机械工程教授，教授创新学院Linda Griffith说，以及生物工程教授，以及其中一个研究的高级作者。“通过我们的芯片，您可以分发一种药物，然后寻找对其他组织的影响，并测量曝光以及它是如何代谢的。”

这些芯片也可用于评估抗体药物和其他免疫疗法，这难以在动物中彻底测试，因为它们被设计成与人类免疫系统相互作用。

David Trumper是一个MIT机械工程教授，生物工程系研究科学家和Murat Cirit，也是本文的高级作者，出现在科学报告中。本文的牵头作者是前麻省理工学院Postdocs Collin Edington和Wen Li Kelly Chen。

新平台应允许研究人员在人体中测试它们之前测量实验药物对身体不同部位的影响。图像：菲利斯·弗兰克尔（Felice Frankel）

建模器官

在开发一种新药时，研究人员根据他们对疾病的生物学所知的基础识别药物目标，然后创造影响这些目标的化合物。Griffith说，动物在动物的临床前测试可以提供有关药物安全性和有效性的信息，但这些测试可能不会揭示潜在的副作用。此外，在动物中工作的药物经常在人类试验中失败。

“动物不代表所有方面的人，你需要开发毒品和了解疾病，”格里菲斯说。“这正像我们看各种毒品一样越来越明显。”

由于近期患者的可变性，并发症也会出现并发症，包括它们的遗传背景，环境影响，生活方式和其他可能服用的药物。“很多时候，你没有看到药物的问题，特别是可能被广泛规定的东西，直到它在市场上，”格里菲斯说。

作为由国防高级研究项目（DARPA）的一部分的一部分，格里菲斯和她的同事决定采取一项技术，他们称之为“芯片上的物理组”，他们认为可以提供更多的方式来建模潜在的药物影响准确又快速。为实现这一目标，研究人员需要新的设备 - 一个平台，允许组织彼此生长和相互作用 - 以及能够准确地模仿人体器官功能的工程组织。

在该项目启动之前，没有人成功地在平台上连接了一些不同的组织类型。此外，在这种芯片上工作的大多数研究人员正在使用封闭的微流体系统，使液体流入并输出，但不提供操作芯片内部发生的事情的简单方法。这些系统还需要外部泵。

麻省理工学院团队决定创建一个开放系统，它基本上删除了盖子，并使系统更容易操纵系统并删除样品进行分析。他们的系统，通过以前通过英国的CN生物能力开发和商业化的技术，还包括几个板载泵，可以控制“器官”之间的液体流动，复制血液，免疫细胞和蛋白质的循环人类的身体。泵还允许评估较大的工程组织，例如器官内的肿瘤。

复杂的互动

研究人员创造了几个版本的芯片，最多可引入10种器官类型：肝，肺，肠，子宫内膜，脑，心脏，胰腺，肾脏，皮肤和骨骼肌。每个“器官”包括100万至200万个细胞的集群。这些组织不会复制整个器官，但他们确实表现了许多重要功能。显着性地，大多数组织直接来自患者样品而不是用于用于实验室使用的细胞系。Griffith说，这些所谓的“主要细胞”更难以处理，但提供更具代表性的器官功能模型。

使用该系统，研究人员表明，它们可以将药物送到胃肠组织，模仿口服摄入药物，然后观察到药物转移到其他组织并代谢。他们可以衡量药物在哪里，药物对不同组织的影响，以及药物如何分解。在一个相关的出版物中，研究人员通过使胃肠道“泄漏”制定了药物如何对肝脏引起意外的压力，使细菌进入血液并在肝脏中产生炎症。

Griffith认为，这种技术的最直接应用涉及模拟两到四个器官。她的实验室现在正在开发一种用于帕金森病的模型系统，包括大脑，肝脏和胃肠组织，她计划用来调查肠道中发现的细菌可以影响帕金森病的发展。

她说，其他应用包括建模肿瘤，使与身体的其他部位转移。

“我们平台的一个优势在于我们可以向上或向下扩展并容纳大量不同的配置，”格里菲斯说。“我认为该领域将通过转换，我们开始从三个器官或四器官系统中获取更多信息，并且它将开始成为成本竞​​争力，因为您所获得的信息是如此多更有价值。“

该研究由美国陆军研究办公室和DARPA提供资金。

出版物：COLLIN D. Edington等，“用于定量生物学和药理学研究的相互连接的微生物学系统，科学报告，第8卷，物品编号：4530（2018）DOI：10.1038 / S41598-018-22749-0