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                    客觀日本

                    利用凝膠形成微流路在芯片上再現器官,制作人的“分身”

                    2021年05月17日 生物醫藥

                    結合半導體制造等領域的微細加工技術和以iPS細胞為代表的生命科學研究,在小型芯片上再現人體器官的技術開發變得活躍起來。NTT利用凝膠材料所具有的良好生物相容性和物質滲透性,成功地在芯片上制作了微流路。其目的是實現一種能夠在芯片上再現更接近活體的血管等作為患者的“分身” 的技術,這將有助于診斷和治療。

                    “器官芯片”相關技術的動向

                    1991年

                    通過在試管內的模式化培養形成心室心肌

                    1998年

                    利用PDMS(一種硅)制作微流路器件

                    2006年

                    開發出小鼠iPS細胞

                    2010年

                    制作出模擬呼吸時的肺部收縮的“肺芯片”

                    2015年

                    利用iPS細胞培養出“迷你腎”

                    2040年前后

                    制作出反映個體差異的多器官芯片

                    2050年前后

                    實現在虛擬空間再現個人的身體和心理的“生物數字分身”

                    通過在芯片上結合微流路和培養細胞等來模擬人體器官的技術被稱為“器官芯片”。雖然已開始用于調查藥物候選物質的有效性和安全性的實驗,但其功能仍然有限。

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                    在用凝膠制作的微流路中培養細胞(圖片由NTT提供)

                    NTT物性科學基礎研究所的高橋陸研究員等人開發出了利用內部含水的三維網狀高分子材料“水凝膠”制作管狀構造流路的技術。水凝膠與生物體親和性比較高,容易透過氧氣和營養等物質,還具備伸縮性和柔性。作為器官芯片目前使用的硅和塑料等的替代材料備受期待,但在芯片上控制形狀的技術一直存在課題。

                    高橋等人認為,利用薄膜發生的“扭曲剝離”現象可以控制形狀。從兩端向基板上的薄膜施力時,中心部分的薄膜會從基板上剝離并隆起,薄膜與基板之間會形成管狀空腔。

                    具體來說,就是把凝膠吸水后膨脹的變化作為引起剝離的力利用。將凝膠薄膜鋪到玻璃基板上,形成與基板粘合的區域和未粘合的區域。凝膠膨脹后,未與基板粘合的區域就會發生剝離,形成空腔。

                    通過調整凝膠的厚度和成分等條件,成功制作了直線、曲線、分支和合流等多種形狀的微流路。還在流路中長時間地三維培養了細胞。利用凝膠制作的流路方便施加變形等物理刺激和藥劑等化學刺激。高橋介紹稱,優化細胞培養條件的話,“能在芯片上再現更接近活體的血管和腸道”。

                    NTT在2020年發布的醫療健康愿景中提出了“實現生物數字分身(Bio digital twin)”。生物數字分身的意思是在網絡空間再現每個人的身體和心理情況。這是一個非常宏大的構想,將結合人工智能(AI)等預測技術,利用“分身”為針對個體進行優化的精準醫療和健康維護做貢獻。

                    器官芯片還能用來調查創造“分身”時需要收集個人的哪些身體數據。目前尚處于在芯片上形成單一器官的階段,但將來有望在芯片上再現多個器官,還有望實現能反映器官個體差異的“分身”。

                    NTT預測,2040年前后為個人量身定制的多器官芯片將實現實用化,2050年前后可以實現“生物數字分身”。

                    有助于開發新藥和提高效率

                    2010年美國哈佛大學的研究所首先開發出了在芯片上再現呼吸時肺部收縮運動的“肺芯片”,一舉成為器官芯片的先驅?,F在不僅是心臟,還在研究腸道、肝臟和腎臟等多種器官芯片。

                    目前的器官芯片的主要目的是用于藥品開發。新藥候選物質以前一直利用培養細胞和小鼠等實驗動物來驗證有效性和安全性。但到了通過人體進行驗證的臨床試驗階段,經常出現因無法確認有效性,或發現意料之外的副作用而中止開發的情況,因為培養細胞和實驗動物與人體有很大不同。

                    提高器官芯片的再現性,就有可能觀察到比以往的方法更接近人體的藥物反應。在化妝品開發等領域都在減少動物實驗的國際趨勢中,也需要有一種優越的替代方法。

                    在日本,東京大學和京都大學等正在推進器官芯片的開發,東京工業大學、橫濱市立大學和理化學研究所等正在研究利用iPS細胞培養用于芯片上的細胞。還有堆積細胞制作立體組織的“生物3D打印”法。各種技術的融合對進一步提高性能也非常重要,比如實現多種器官相連接的多器官芯片等。

                    日文:越川智瑛、《日經產業新聞》,2021/04/30
                    中文:JST客觀日本編輯部