芯片心脏模型助力药物筛选

发布日期：2015-03-11

3月9日，《科学报告》杂志上发表的 “基于人类诱导型多能性干细胞的心脏微生物系统可用于药物筛选 ”一文中介绍了一种检测心脏中毒的新方法。科学家称，不同于使用非人类的动物模型或普通细胞培养的细胞，新方法使用的是一种更有效的心脏微生物系统——芯片心脏(heart-on-a-chip)。

芯片心脏由一个安置在一英尺长的硅胶设备上的脉动心肌细胞网络组成。它使用的细胞来自人类的诱导型多能性干细胞——可被诱导成为许多不同类型组织的成体干细胞。芯片心脏对人类心脏组织建模十分有用，相关心血管药物的测试证实了它可以作为一项药物筛选工具。

人类细胞的使用克服了许多现有的药物筛查模型的局限性。 例如，非人类的动物模型往往无法预测人类对新药的反应，因为在生物物种之间存在的根本性差异。 同时，细胞培养常常无法捕捉组织接触到营养和药物的动态过程。

加州大学伯克利分校的生物工程教授凯文?希利博士，在发表于《科学报告》的文章中提到了如何利用芯片心脏克服这些局限性，他指出芯片心脏可以更好地模拟心脏细胞传输电流的离子通道。

“许多心血管药物的靶向都是这些通道，所以这些差异往往会引起效率低下和花费昂贵，导致对药物毒性解答的不准确，”希利博士说。 “研发一种药物平均约花费50亿美元，其中60%为前期研发阶段的成本。 然而使用一个精心设计的人体器官模型可以显著减少新药走向市场的成本和时间。”

至于模拟发生在血液流动和人体组织间的营养物质和药物的交换，芯片心脏能够使细胞在多层按同一个方向排成一列，在作为血管模型微流体通道之间找到定位。

希利团队的另一名成员为Anurag Mathur博士， 希利的实验室博士后，加州再生医学研究所的研究员。他表示，在未来，他们的装置也可以用来监测细胞代谢废物的清除。

文章中，研究人员强调他们的芯片心脏具有以下适用于药物测试应用的属性：

1. 拥有人类遗传背景的细胞。

2. 生理学相关的组织结构(例如细胞排列组)。

3. 模拟人类脉管系统的灌注(可预测可计算)。

4. 多种模式的分析(生物学、电子生理学和生理学)。

研究人员通过监测心脏细胞对四个著名的心血管药物：异丙肾上腺素，e - 4031，维拉帕米，美托洛尔的反应来检验这个系统。 他们利用心脏组织的跳动率变化来衡量其对化合物的反应。

心脏组织的跳动率基线持续保持在每分钟55到80次，则被认为是正常的成年人。 他们发现，接触药物后的反应是可以预测的。 例如， 接触异丙肾上腺素(一种用于治疗心率过慢的药物)半小时后，心率从每分钟55下提高到了每分钟124下。

研究人员指出，芯片心脏可用于模拟人类遗传疾病或监测个体对药物的反应。 他们还在进一步研究该系统是否可以用于模拟多器官的相互作用。 一个标准的细胞培养板可以衍生出数百个微生物细胞培养系统。

希利博士说：“连接心脏和肝脏组织将使我们能够确定一开始在心脏内运作良好的药物是否会被肝脏以一种有毒的方式代谢掉。”

这个心脏组织工程可以在几周内保持可行性和功能性，有了这些时间，它可以用来测试各种各样的药物，希利博士补充说。

来源：生物探索

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