
独立灌流与周期移液共同完成联用
药物进入体内后会经过多个器官,体外模型需要同时考虑各组织的屏障、流动和物质交换。哈佛大学 Wyss 研究所(Wyss Institute at Harvard University)等团队开发 Interrogator,将芯片培养、液体处理、采样与成像放进标准培养箱,检验自动系统能否长期支持多器官实验。
系统整合液体处理机器人、独立灌流泵、可移动显微镜和控制软件。每个芯片持续接受自身泵的灌流;芯片之间的联用通过机器人按计划转移培养液实现。这样的设计可以改变联用顺序和采样安排,同时维持单个芯片的流动。
软件将培养液补充、转移和采样编入自动流程,并检查液体体积与耗材是否足以完成任务。显微镜可反复返回指定区域,观察芯片内组织,减少为了采样或成像而中断培养的需要。
8 类芯片先分别成熟,再进入共同实验
实测组合包括肠、肝、肾、心、肺、皮肤、血脑屏障(blood–brain barrier,BBB)和脑芯片。各芯片先单独培养到符合自身功能指标的状态,例如肝白蛋白产生、肾白蛋白重吸收、心收缩或屏障通透性,再进入联用。
多数芯片用多孔膜分隔组织实质与内皮衬里的血管区室,使共同培养液经过血管侧交换,实质侧保留适合相应组织的环境。脑芯片是一个具体例外:它本身没有内皮,与 BBB 芯片相连,包含由人神经干细胞分化形成的神经元与星形胶质细胞网络。
各组织采用的细胞模型与芯片结构有所不同。设备设计最多支持 10 个芯片,本次长期联用测试采用 8 类。
两次独立研究检查 3 周组织状态
团队在两次独立研究中维持联用 3 周,按周检查组织形态、活力和器官指标。免疫染色分别观察内皮与上皮连接、肝细胞、心肌、皮肤和神经细胞的相关标志,帮助确认各芯片仍保留相应组织特征。
功能终点也按器官分别设置:肝芯片测白蛋白产生,肾芯片测白蛋白重吸收,肠、肺、皮肤用示踪通透性检查屏障;心与 BBB 芯片检测乳酸脱氢酶释放,脑芯片检测谷氨酰胺与谷氨酸比值。这些指标共同检查培养状态,各自反映的功能范围不同。
原文报告,灌流、形态、活力与器官相关功能在 3 周内得到维持。图 4 的组织显微图来自培养 3 周的未联用对照,功能资料来自两次独立联用研究。
先校准材料作用,再比较示踪分布
为了检查联用系统内的物质分布,团队在 3 周培养中按周安排荧光标记菊粉(inulin-FITC)示踪,并每日测量芯片内浓度。原文报告各周结果具有较好的重复性,借此检查灌流、移液、采样和屏障维持共同产生的系统表现。
示踪物浓度也会受到器件材料影响。团队先在空芯片实验中检查示踪物的吸收、表面吸附与洗脱,再将这些资料用于计算模型校准。这里的吸收指物质进入器件材料的过程,与组织屏障转运分别处理。
多区室降阶模型(multicompartment reduced-order model,MCRO)从详细三维传输计算出发,纳入对流、扩散、分配和反应。计算范围包括培养液、细胞屏障、膜、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料,以及供液管路和储液池,尽量保留实验系统的物质交换关系。
多数平面芯片被简化为常微分方程,以降低计算耗时,同时保留流动方向的浓度梯度和停留时间。心芯片中的收缩肌薄膜仍采用三维模型。作者报告,模型与 8 类芯片中实测的示踪浓度随时间变化有较好一致性。
长期培养与示踪结果用于改进联用实验设计
这项工作把自动培养与物理传输建模放在同一实验系统中,提供长期联用的组织状态和示踪测量依据。对药物研发而言,这些环节有助于建立后续药代动力学(pharmacokinetics,PK)与药效学(pharmacodynamics,PD)实验的可控条件。
本篇以惰性示踪物检验平台,没有进行人体异速缩放或其他尺度转换。作者将治疗药物的转运、代谢及体外到人体的转换另作研究。本次实验的作用是先检查联用系统的测量与传输计算,再为后续药代和药效实验选择条件。
作者也指出,多种芯片同时培养存在技术挑战,较小联用组合可能更利于增加重复、取得更大的资料集。因此,增加器官数量和提高统计检验能力,需要根据具体药物问题分别设计。