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芯片上的器官是未来的潮流

经过昂贵的动物研究后,开发出的有前途的候选治疗药物在人体中进行测试时常常被证明是无效的,甚至是危险的。尽管实验动物的解剖特征可能与人类相似,但它们的生理,代谢和遗传多样性却可能大不相同。

罗切斯特大学的三位 生物医学研究人员正在通过一种新型的个性化医学解决这一问题。他们正在开发另一种“芯片上的器官”技术,该技术使用来自单个人类患者的组织样本来模拟该患者可能发生的疾病或病症-在这种情况下,会因肌腱损伤而形成疤痕,尤其是在手术修复后,损伤。

这项技术结合了超薄纳米多孔膜和光子传感器的新型结合,将使临床医生能够更好地预测患者是否可能发展出使人衰弱的疤痕组织,如果可以,则可以确定哪种治疗药物最适合该患者。

“这项技术可能是医学的未来。您现在可以在芯片中考虑个性化医学了。”肌肉骨骼研究中心的Donald and Mary Clark杰出骨科教授和生物医学工程教授 Hani Awad说 。他正在与生物医学工程教授James McGrath和 皮肤病学,生物医学工程,光学以及生物化学和生物物理学教授Benjamin Miller合作进行该项目 。

阿瓦德说,此次合作是罗切斯特大学医学中心及其肌肉骨骼研究中心与附近河校区生物医学工程系的紧密合作, 代表着“生物科学与工程学的完美结合”。“我们三人之外的团队包括传感器科学家,整形外科医生和免疫学家。这是一个非常多学科的方法。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院(NIH)国家推进转化科学中心(NCATS) 380万美元的赠款(全国10笔赠款)的支持,该笔资金 旨在改善和简化新疗法和新疗法的开发过程。交付给患者。补助金通过新计划“芯片临床试验”进行管理,该计划由NCATS联合美国国家卫生研究院,美国国家癌症研究所,美国儿童健康与人类发展研究所以及美国国家研究所等其他几个研究所和中心牵头。和关节炎,骨骼肌肉和皮肤疾病。NCATS于2012年开始资助对组织芯片进行药物筛选的研究。

该计划的主要目标是开发旨在支持人体活体组织和细胞并模仿器官和系统的复杂生物学功能的3-D平台,从而可以更好地预测哪些患者最有可能在开始临床治疗之前从研究治疗中受益审判。

据研究人员所知,Rochester项目将是第一个用于模拟肌腱疤痕形成的器官芯片平台。

肌腱对损伤的反应

阿瓦德(Awad)的实验室研究肌肉骨骼组织对损伤的反应,他对肌腱特别感兴趣。

阿瓦德说,当肌腱受伤时,它们会像我们的皮肤一样he愈。它们形成疤痕。他补充说:“而疤痕组织,特别是如果手术涉及修复损伤,通常会损害肌腱的后续机械功能。” 这可能导致肢体或关节的强度或柔韧性降低,甚至导致最终的伤害或破裂。

自相矛盾的是,这种疤痕是炎症反应的结果,“这种自然反应是为了保护我们免受损伤部位的微生物侵扰,”阿瓦德解释道。“显然,我们有一些出血,有一些新的血管形成,并且您的免疫系统浸润的细胞进入了受伤部位。” 当该过程延长时,会产生纤维化疤痕组织。

“因此,对损伤的反应是肌腱组织,炎性细胞和微脉管系统(灌注身体组织的细小血管系统)之间的相互作用。这正是我们想要在芯片中复制的内容,” Awad说。

两个新的“扭曲”

这就是McGrath的实验室参与其中的地方。几年来,他的实验室一直在完善其专利技术(厚度小于200纳米的超薄硅纳米膜)的多种应用,包括在多隔室设备中用作“理想屏障”,以培养和研究人体组织。

因此,从这个意义上讲,他的实验室将为该项目创建的多隔室微流控芯片腱平台“肯定会基于我们过去所做的事情,” McGrath说。“我们在这方面取得了越来越好的进步,过去几年中我们取得的一些进步对确保获得这笔赠款起到了很大的帮助。”

但是,该平台将使他的研究更进一步。他说:“它将需要结合机械作用来使肌腱在血液腔室的另一侧延伸。” 而且“就我们带来的功能而言,这无疑将是开创性的。”

多亏了Miller的实验室,该设备也将以另一种方式取得突破。

研究人员通常将器官放在芯片上,让实验运行一段时间,然后使用免疫组织化学进行分析,这意味着您将具有荧光标签的抗体混入系统中,然后用荧光显微镜观察看看细胞在做什么。但是一旦这样做,系统就死了。”光子生物传感器专家米勒说。“或者,如果您不想杀死系统,则可以在下游某处安装一个传感器,该传感器与芯片断开连接。”

“我们的目标是将传感器和芯片整合在一起,以便您实时读取芯片中发生的一切,而不会中断[系统],” Miller说。

根据他的实验室作为AIM Photonics计划的一部分所做的工作,Miller的实验室将贡献一种“非常小尺寸的平面传感器设备”,其中包括光子环形谐振器和二维光子晶体。这些传感器与芯片平台上的McGrath器官紧密接触,使研究人员能够非侵入性地测量作为炎症反应一部分而分泌的蛋白质。

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