“Body-on-a-chip”裝置是一種新的體外人體模型，不需要使用人或動(dòng)物進(jìn)行藥物發(fā)現(xiàn)。該芯片允許在昂貴的臨床試驗(yàn)之前重現(xiàn)抗癌藥物對人類心臟細(xì)胞的副作用。圖片來源：Kyoto University iCeMS

京都大學(xué)日本綜合細(xì)胞材料科學(xué)研究所（iCeMS）的研究人員設(shè)計(jì)了一種小型“片上體”裝置，可以測試藥物對人體細(xì)胞的副作用。該裝置解決了當(dāng)前類似微流體裝置的一些問題，并為下一代臨床前藥物測試提供了希望。

用芯片集成的心臟/癌癥(iHCC)來測試抗癌藥物阿霉素對心臟細(xì)胞的毒性。由iCeMS的Ken-ichiro Kamei領(lǐng)導(dǎo)的研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然該藥物本身對心臟細(xì)胞沒有毒性，但與癌細(xì)胞相互作用產(chǎn)生的藥物代謝產(chǎn)物卻是毒性的。

這個(gè)裝置比顯微鏡載玻片還小。它包含六個(gè)小室;每兩個(gè)通道都一系列進(jìn)氣口和閥門連接。氣泵控制流體通過管道的運(yùn)動(dòng)。每兩個(gè)腔室及其各自的微通道系統(tǒng)組成一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。該設(shè)備中的三個(gè)測試床允許在每個(gè)床上引入微小的變化，以同時(shí)比較結(jié)果。

研究小組首先測試了阿霉素對微孔中單獨(dú)培養(yǎng)的心臟細(xì)胞和肝癌細(xì)胞的影響。該藥物對癌細(xì)胞具有預(yù)期的抗癌作用，而不會(huì)對心臟細(xì)胞造成損害。

然后他們使用iHCC設(shè)備進(jìn)行測試。將心臟細(xì)胞置于一個(gè)室中，同時(shí)將肝癌細(xì)胞置于另一個(gè)室中。阿霉素被引入細(xì)胞培養(yǎng)基中，通過連接兩個(gè)腔室的微通道閉環(huán)系統(tǒng)循環(huán)，模擬血液的循環(huán)系統(tǒng)。通過這種方式，藥物以單向的方式通過兩個(gè)腔室，形成一個(gè)連續(xù)的循環(huán)。

該團(tuán)隊(duì)在癌癥和心臟細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)了毒性跡象。他們假設(shè)一種化合物阿霉素，它是阿霉素與癌細(xì)胞相互作用的代謝副產(chǎn)物，導(dǎo)致了毒性作用。

為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，他們在微孔中分別培養(yǎng)的心臟細(xì)胞和肝癌細(xì)胞中加入了阿霉素。它對心臟細(xì)胞有毒性，但對癌細(xì)胞沒有毒性。

當(dāng)在肝癌細(xì)胞中單獨(dú)添加阿霉素時(shí)，產(chǎn)生的阿霉素量太小，對心臟細(xì)胞沒有毒性。研究小組認(rèn)為，這是因?yàn)榧?xì)胞培養(yǎng)基的數(shù)量會(huì)稀釋代謝物。

相反，當(dāng)阿霉素被引入iHCC時(shí)，代謝產(chǎn)物在通過微通道循環(huán)系統(tǒng)時(shí)不會(huì)被稀釋，因?yàn)樾枰〉募?xì)胞培養(yǎng)體積。因此，該藥物確實(shí)通過其代謝產(chǎn)物對心臟細(xì)胞有毒性作用。

該裝置需要進(jìn)一步改進(jìn)，但研究表明，這種設(shè)計(jì)理念可以在昂貴的臨床試驗(yàn)之前，用于研究抗癌藥物對心臟細(xì)胞的毒性副作用。這項(xiàng)研究發(fā)表在《皇家化學(xué)進(jìn)展學(xué)會(huì)》雜志上。

更多信息：Ken-ichiro Kamei et al, Integrated heart/cancer on a chip to reproduce the side effects of anti-cancer drugs in vitro, RSC Adv. (2017). DOI: 10.1039/c7ra07716e