个性化医疗的终极目标：根据人体生物芯片的药物反应开处方

你生病了，但你和你的医生都不知道哪种治疗方法有效。你宁愿做些什么?尝试五种不同的药物?一次又一次，直到你找到一种治疗疾病而没有严重的副作用，或服用一种保证有效的药物?当然，你会选择有效的那种药物。

但是现在，没有办法确定某一特定药物会完全符合你的特定情况。但是有一天，在你服用这种药物之前，它可以在一个小到足以装入你口袋的版本中进行测试。

通过对目前世界各地实验室正在开发的技术进行改进，你将能够实现这些微型副本。这些片上器官器件通常在塑料或橡胶基材上制成，而不是硅基板上，它们含有活细胞。这些细胞培养起来，形成一个三维的人工生长组织，通常被称为类器官，它像人体器官一样运作，但是在立方毫米的范围内。肝脏类器官可能具有足以代谢止痛药乙酰氨基酚的功能。肺类器官可以模拟呼吸。

一个类器官本身是有其作用的，但在你的身体中，没有一个器官能孤立地工作。你的器官在不断地交流。你的神经系统向其他器官发出命令来调节它们的行为;你的心脏泵血到其他器官，以提供氧气和营养;胰腺产生胰岛素，告诉你需要摄入多少葡萄糖。我们无法确切知道新药的真正治疗价值或其副作用，除非我们能够在比一个器官更复杂的系统中测试它。因此，研究人员，包括哈佛医学院和波士顿布莱根妇女医院的研究小组，一直在开发基于芯片的系统，该系统具有多个类器官系统，具有微型心脏、小型肝脏，甚至是基本大脑的系统。其中许多都是3D打印的，并且都通过微流体泵和通道的循环系统连接。

今天，科学家正在使用这些系统来弄清楚药物如何在体内发挥作用，寻找新疗法，以及了解癌症如何传播等等。但总有一天，研究人员将能够在这些系统中使用你自己的细胞来预测药物在你身上的作用以及如何抵抗癌症。这很重要，因为同样的药物对你的影响或副作用可能与对其他人不一样，甚至是你自己家庭中的某个人。关于相对普通的药物是如何起作用的确存在许多谜团，而且一些畅销药物只对那些处方药物的一小部分起作用。

要想制造出能够解决这些谜题的人类专用系统，需要干细胞研究和生物制造方面的进步，但这种最具特色的个人化医疗方法肯定就在眼前。

第一个片上器官系统是在21世纪初创建的，用于研究药物的相互作用。它们称为微细胞培养类似物(microCCAs)，由活细胞组成，活细胞要么位于表面，要么嵌入水凝胶的三维基质中，并通过以数百微米为单位的通道与流体流动相连接。

从那时起，该技术的范围和复杂性都在增长。今天的设备由多种类型的细胞组成，它们现在非常接近地模拟它们所代表的器官的一些内部微观结构和功能。虽然microCCA的术语有点不固定，但我们称之为微生理系统。

让正确类型的细胞在正确的位置生存，需要在多个尺度上精确控制许多变量。在人体体内，构成原子尺度功能组织的生物分子将自身组装成纳米级大分子。然后那些大分子产生微米级构建块，然后产生组织和器官。例如，当你的身体构成一个肝脏时，它会组合几种类型的细胞。主要的肝细胞，称为肝细胞，与肝星状细胞(除非肝脏受损而处于休眠状态)和库普弗细胞(它们是生活在肝脏中的免疫系统细胞)组装在一起。这些细胞一起形成称为小叶的六边形组织单位。小叶包含分泌胆汁用于消化的导管，以及输送氧气，去除CO2并携带由胃肠系统吸收的物质以供肝脏代谢的血管。小叶紧密堆积在一起，形成肝脏的宏观结构。

在芯片上复制如此复杂的组织及其相关的生物功能并非易事，但这是可以做到的。为了重现肝小叶的六边形微结构，研究人员采用了芯片制作技术光刻技术。肝细胞可以封装在生物相容的光敏水凝胶中，这是一种由亲水的分子链组成的物质，当暴露在合适的光线下时，它会结合成一张网。这些细胞被装载到一个特别设计的毫升级的容器中，一个重复的几百微米宽的六角形光模式投射到它们上面，固定水凝胶并将细胞固定在适当位置。

三维生物打印技术是另一种很有前途的技术，它可以将细胞集合转化为有组织的类有机物。这与3D打印类似，不同之处在于最终结构是活组织。从根本上说，你只是挤出或以其他方式打印出一种“生物墨水”的图案——也就是说，在光敏水凝胶前驱体中的细胞——然后用光照射固定图案。但实际上，它比那更复杂。细胞是敏感的，它们有时会强烈地对机械力作出反应，例如纯粹的压力。因此必须小心控制打印机的流速和其他参数。

水凝胶的正确混合很重要。例如，欧洲科学家最近制作了一个三维生物打印的迷你脑类器官。为了探索一种癌症细胞是如何侵入大脑的，探究人员给微型大脑植入了一个肿瘤。墨水的混合是至关重要的。它必须足够浓才能使器官及其肿瘤在固定到位之前形成一个形状。一旦它被固定，凝胶必须形成足够大的孔，以使肿瘤细胞与普通的驻留大脑的免疫细胞相通。

利用3D生物打印，光刻和一系列其他技术，研究团队创造了各种类器官，它们在人体中复制了与之对应的某些功能——吸收营养的肠道、侵袭其他组织的癌症、收缩的心肌，甚至是吸入香烟的肺。

但是当你将类器官连接在一起时，真正的价值就来了。康奈尔大学的迈克尔舒勒小组在一个闭合循环的单个芯片上建立了一个微生理系统，其中包含三种类型的类器官：肝脏、骨髓和结肠肿瘤。研究人员用它来检测一种有几十年历史的抗癌药物5-氟尿嘧啶(或5-FU)的代谢。当口服5-氟尿嘧啶时，它的作用是有限的，因为实际到达肿瘤的量是无法预测的。为了解决这一问题，研究人员开发了一种更稳定的分子，使身体代谢成为活性药物。Tegafur是5-FU的这些前药之一。

Tegafur本身对患者或癌症没有毒性。但是当被肝脏中的酶代谢时，它对抗癌症变得有效并且在体内保持活性比口服5-FU更长。利用肝癌-结肠癌-骨髓系统，研究人员设法重现了肝脏代谢Tegafur的方式。正如预期的那样，Tegafur本身并没有损害结肠癌类器官，而在肝脏代谢后，改性药物对其来说是致命的。它对肝脏类器官和骨髓类器官都有很大的毒性。该实验是首次展示多器官系统如何重现人类对药物反应的实验之一。

将多个类有机物连接在一起是一件棘手的事情。由于这些微生理系统是微型化的，它们的运行参数与人体器官的运行参数相差甚远，人体器官的大小和重量是其数千倍大。你可能知道小型哺乳动物的心率和代谢率通常比大型哺乳动物快。当我们尝试在小型人工芯片上重新创建功能性人体系统时，我们当然不想创造出由人类细胞构成、但像老鼠一样代谢的东西。

因此，正确缩小这些系统至关重要。你必须解决两个问题。一个是相对于人类对应物的类器官的缩放。这涉及到如何将实际患者剂量的药物转化为芯片上测试药物的浓度。另一个问题是缩放类器官中流体的流速，以便它们重现药物在人体内如何分布和代谢。

缩放通常根据所讨论的器官的相对大小和它们经历的流速进行。但最近，研究人员开发了一种新的缩放策略，可以提供更好的结果。该策略提出微观生理系统应该基于其目的和实际达到该目的的方式来设计。例如，如果已知动物的肠道以特定的速率吸收一组药物，并且其肝脏以一定的速率代谢这些药物，则应该缩放包括微型肠道和微型肝脏的微生理系统以同样的速度以进行工作。然后，当系统用于探索新药的作用时，它可能已经得到正确地缩放。

另一个挑战是衡量多组织系统中发生的情况。在日常生活中，患者可能会接受一系列的医学检查，从使用听诊器的无创检查到需要进行手术活检的侵入性检查。对于今天的类器官，测试不仅仅是侵入性的;它通常具有破坏性。大多数分析依赖于用与特定生物分子结合的化学物质染色类器官，而这是一个不可逆过程，意味着系统不能重复使用。

其他分析从系统中除去流体以测量分泌到细胞培养基中的生物分子。虽然这类似于人类患者的血液检测，但它并不适合小型化的片上器官系统，因为后者通常需要比人体更频繁的监测，并且每次测量都需要相对较大的体液量。想象一下，每天给病人做5到10次血液测试，每次抽取50到100毫升的血液，这是多么不切实际和不舒服。一般人体只有大约5升的血液，你可能在失去2升后死亡。

用于测量类器官性能的更合理的方法是构建小型化的传感单元，它们是连接类有机体的同一微流体电路的一部分。传感器可以集成到微生物系统本身中。这样，对最小量的液体进行采样，并且可以从现在可重复使用的系统中采集多个样本。

为此，研究人员建立了一个可重复使用的电化学传感系统，通过电阻的变化来记录目标分子的存在。这种微流体芯片中的电极可以涂有一系列化学物质，包括设计用于仅与你想要测量的分子结合的抗体。当这些目标分子与电极结合时，电极的电阻会以显示化学物质浓度的方式增加。

这个系统的独特之处在于，在实验仍在运行时，同一电极可以重复用于不同的目标。自动微流体通道和气动阀门网络提供从电极上移除旧涂层所需的混合物并涂覆新涂层。

我们将如何从今天的研究级多器官芯片转变为可用于测试药物有效性和检测潜在副作用的芯片级复制品?一个挑战是芯片的类器官必须由患者自己的细胞制成。对于包含癌症类器官的芯片，这意味着对肿瘤进行活组织检查，这通常是在诊断过程中经常进行的。但对于其他类型的类器官，如肝脏或肺，它意味着将一种细胞转变为另一种细胞。

身体有办法做到这一点。干细胞是有可能成为任何类型的细胞神经元，骨骼、肝脏、皮肤，任何东西的细胞。当研究人员在20世纪80年代和90年代开始研究它们时，干细胞难以获得，需要对胚胎进行处理。然而，十多年前，Shinya Yamanaka和他在京都大学实验室的研究人员发现了一种更容易的方法。 (他也因此获得了诺贝尔奖。)通过操纵一组四个基因，Yamanaka将一个普通的成人皮肤细胞变成了干细胞。这些被重新利用的细胞，称为诱导多能干细胞，可以进行处理，以制作你想要的任何类型的器官。对于未来的诊断器官芯片而言，最重要的是由这些细胞产生的类器官是提供原始细胞的基因拷贝。目前，这个过程非常耗时，患者可能没有几周的时间，但情况正在改善。

类器官制造方法也必须改进。 没有一种方法可能适合所有需求：3D生物打印可以产生复杂的结构，但与光刻相比，它通常是低通量技术。 其他技术，如分子自组装 - 聚合物和其他分子的化学性质导致它们在没有外界引导的情况下形成纳米级或微米级结构 - 可能需要发挥作用。 通常情况下，可能需要多种技术的组合。

尽管我们现在所能做的和我们想要的之间存在着巨大的鸿沟，但个性化的微生理系统值得付出努力。 我们都是生物学上的个体。适合你的止痛药可能不适用于你最亲近的家庭成员，这反过来可能意味着过量服用的危险。尽管人类生理极其复杂，但准确理解我们的独特性的能力，可能会造成一切不同。