工程组织已经成为疾病建模和在人类环境中测试药物有效性和安全性的关键组成部分。研究人员面临的一个主要挑战是如何用多种工程组织来模拟身体功能和全身性疾病，这些组织可以进行生理交流，就像它们在体内一样。然而，根据生物学和生物医学研究的需要，为每个工程组织提供自己的环境是至关重要的，这样特定的组织表型可以维持数周到数月。使挑战更加复杂的是，必须将组织模块连接在一起，以促进它们的生理交流，这对于涉及多个器官系统的建模条件是必需的，同时不牺牲单个的工程组织环境。
新型即插即用的多器官芯片，为患者定制
到目前为止，还没有人能同时满足这两个条件。今天，来自哥伦比亚大学工程学院和哥伦比亚大学欧文医学中心的一组研究人员报告说，他们已经开发出一种多器官芯片形式的人体生理学模型，该芯片由工程过的人类心脏、骨骼、肝脏和皮肤组成，通过血管流动与循环免疫细胞连接，以再现相互依赖的器官功能。研究人员基本上创造了一种即插即用的多器官芯片，其大小与显微镜载玻片相当，可以为患者定制。由于疾病进展和对治疗的反应因人而异，这种芯片最终将为每个患者实现个性化的治疗优化。这项研究是《自然生物医学工程》2022年4月号的封面故事。
“这对我们来说是一项巨大的成就——;我们花了十年时间进行了数百个实验，探索了无数伟大的想法，并建立了许多原型，现在我们终于开发出了这个平台，成功地捕捉了体内器官相互作用的生物学，”项目负责人Gordana Vunjak-Novakovic说，他是大学教授和米卡蒂生物医学工程、医学科学和牙科医学教授。
灵感来自人体
该团队从人体的工作方式中获得灵感，建立了一个人体组织芯片系统，通过循环血管流动将成熟的心脏、肝脏、骨骼和皮肤组织模块连接起来，允许相互依赖的器官像在人体中一样进行通信。研究人员选择这些组织是因为它们具有明显不同的胚胎起源、结构和功能特性，并且会受到癌症治疗药物的不利影响，这对所提出的方法提出了严格的测试。
该研究的主要作者、Vunjak-Novakovic干细胞和组织工程实验室的副研究科学家Kacey ronalson - bouchard说:“在保持个体表型的同时，在组织之间提供通信一直是一个重大挑战。”“因为我们专注于使用患者来源的组织模型，所以我们必须单独成熟每个组织，使其以模仿患者反应的方式运行，并且我们不想在连接多个组织时牺牲这种高级功能。在体内，每个器官都维持着自己的环境，同时通过携带循环细胞和生物活性因子的血管流动与其他器官相互作用。因此，我们选择通过血管循环连接组织，同时保留每个单独的组织生态位，这是维持其生物保真度所必需的，模仿我们的器官在体内连接的方式。”
优化后的组织模块可维持一个月以上
该小组创建了组织模块，每个模块都在其优化的环境中，并通过选择性渗透的内皮屏障将它们与普通的血管流动分开。个体组织环境能够跨越内皮屏障并通过血管循环进行交流。研究人员还将产生巨噬细胞的单核细胞引入血管循环，因为它们在指导组织对损伤、疾病和治疗结果的反应方面起着重要作用。
所有组织都来自同一系的人类诱导多能干细胞(iPSC)，从少量血液样本中获得，以证明能够进行个体化、患者特异性研究。而且，为了证明该模型可用于长期研究，研究小组在血管灌注连接后，将已经生长成熟4至6周的组织再维持4周。
利用该模型研究抗癌药物
研究人员还想证明该模型如何用于人类环境中重要的全身疾病的研究，并选择检查抗癌药物的不良影响。他们调查了阿霉素(一种广泛使用的抗癌药物)的效果;心脏，肝脏，骨骼，皮肤和脉管系统。他们表明，测量的效果与使用同一种药物进行癌症治疗的临床研究报告的效果一致。
该团队同时开发了一种新型的多器官芯片计算模型，用于药物的吸收、分布、代谢和分泌的数学模拟。该模型正确地预测了阿霉素代谢为阿霉素并扩散到芯片中的过程。多器官芯片与计算方法学的结合，在未来的药物药代动力学和其他药物的药效学研究中，为临床前到临床外推提供了改进的基础，并改善了药物开发管道。
整个大学的合作
多器官芯片的开发始于一个包含心脏、肝脏和血管的平台，昵称为HeLiVa平台。就像Vunjak-Novakovic的生物医学研究一样，合作对于完成这项工作至关重要。其中包括她的实验室的集体人才，Andrea Califano和他的系统生物学团队(哥伦比亚大学)，Christopher S. Chen(波士顿大学)和Karen K. Hirschi(弗吉尼亚大学)，他们在血管生物学和工程方面的专业知识，Angela M. Christiano和她的皮肤研究团队(哥伦比亚大学)，哥伦比亚大学蛋白质组学核心的Rajesh K. Soni，以及CFD研究公司团队的计算建模支持。
大量的应用，都在个体化的患者具体的情况下
研究团队目前正在使用这种芯片的变体进行研究，所有这些都是在个体化的患者特定环境中进行的:乳腺癌转移;前列腺癌转移;白血病;辐射对人体组织的影响;SARS-CoV-2对心脏、肺和血管的影响;缺血对心脑的影响;以及药物的安全性和有效性。该集团还在为学术和临床实验室开发一种用户友好的标准化芯片，以帮助充分利用其促进生物和医学研究的潜力。
Vunjak-Novakovic补充说:“在对芯片上的器官进行了十年的研究之后，我们仍然发现，我们可以通过连接毫米大小的组织来模拟患者的生理机能，例如跳动的心肌、代谢的肝脏以及从患者细胞中生长出来的功能正常的皮肤和骨骼。我们对这种方法的潜力感到兴奋。它是专门为研究与损伤或疾病相关的系统性疾病而设计的，并将使我们能够保持工程人体组织的生物学特性以及它们的通信。一次一个病人，从炎症到癌症!”
