作为药物开发的重要一步，近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发了一种用于构建芯片心脏（HoC）系统的工具。这项技术试图解决传统心血管药物开发的局限性，而传统心血管药物的开发在很大程度上依赖于动物试验。通过复制用于研究心血管疾病的类人模型，HoC系统有望帮助取代动物试验，缩短药物开发时间并降低成本。NIST团队的研究结果发表在《Lab on a Chip》期刊上。
HoC是一种在小芯片上模拟心脏内细胞复杂相互作用的设备，是更大的芯片上器官（OoC）套件的一部分。芯片上心脏的实际设计各不相同，但它通常是一个小的、透明的或半透明的芯片，由印刷在聚合物层上的微通道网络组成。这些微通道被精心设计以模仿人类心脏中的血管。研究人员将人类心脏细胞放置在这些微通道中，以操纵和观察它们的行为。研究人员可以在不同的条件下独立刺激它们或观察它们的行为，例如引入药物。
领导该HoC系统开发的NIST研究员Darwin Reyes说：“芯片上的心脏是为了模拟真实心脏的状况而设计的。”。“我们可以操纵环境，将干细胞转化为心脏细胞，使它们收缩和放松，就像它们在体内产生心跳一样。”
芯片上的器官系统的“核心”在于一种名为微流体的东西，它本质上是一个微型管道系统，研究人员可以在其中精确控制和操纵微量液体。研究人员使用微流体在实验室的小芯片上创建器官和组织的高级模型。
Reyes说：“芯片本身可以用于许多不同类型的细胞。”。“特别是在这个项目中，我们使用的是心脏细胞，但你可以将该系统的定制版本与其他细胞一起使用，以视觉和电子方式监测它们的行为。”
“芯片上的器官”的概念不仅仅延伸到心脏。研究人员可以制造出模拟各种器官状况的芯片，这些芯片甚至可以相互连接，形成多器官系统。例如，你可以将芯片上的心脏连接到芯片上的肝脏，以模拟心脏和肝脏如何对某些药物或医疗条件做出反应。这种方法可以更全面地了解人体内不同器官是如何共同发挥作用的。
重新思考动物试验
在传统的药物开发中，动物经常被用作试验对象。然而，动物生理学与人类生理学并不完全匹配。药物可能通过动物受试者的测试，但可能在人体测试中失败。这不仅推迟了药物测试过程，而且使人体测试对象面临药物不良反应的风险。此外，关于动物试验的伦理考虑，目前仍在进行辩论。
Reyes说：“如果可能的话，最终目标是能够完全跳过动物试验。”。“这也将缩短药物测试所需的时间，有望降低药物成本。”
2022年，拜登总统签署了《美国食品药品监督管理局现代化法案2.0》，使之成为法律。该法案从根本上修订了1938年的《联邦食品、药品和化妆品法案》，该法案要求对每一项新药开发方案进行动物试验。虽然在过去的一个世纪里，这项授权旨在确保药物和医疗器械的某些质量和安全标准，但最近的科学进步已经开始为动物试验提供越来越可行的替代方案，包括芯片上的组织系统。
全球芯片组织技术标准化合作
开发这项新技术不是在真空中完成的。世界各地的研究人员正在开发类似的微流体设备，以开创药物开发的新时代。然而，要实现这一点，就需要标准化——为这些技术建立一致的指导方针和规则。这不仅有助于获得监管部门的批准，还确保科学、工业和医学界更好地接受。NIST与全球各地的科学组织一起，积极参与制定这项技术的标准。
Reyes说：“在目前正在进行的研究和我们的发展方向之外，合作研究越多，这项技术就会越好。”。
超越心血管焦点拓展视野
虽然HoC专注于心血管药物的开发，但OoC的能力超出了特定器官。该系统可应用于各种细胞类型，包括与癌症研究相关的细胞类型。
Reyes分享道：“我们正处于了解如何实时跟踪癌症细胞运动和侵袭性的测试阶段。”。“我们希望，在未来，随着更多的测试，该系统可能能够提供癌症细胞侵袭性的测量，这可能有助于诊断。”
这项新技术以严格的标准为基础，标志着朝着药物开发以精确、高效和高度道德考虑为特点的未来迈出了重要一步。
