肝脏

药物进入体内，通过肝脏代谢后，形成具有活性的组分并对人体起效。肝脏通过分泌胆汁参与消化过程，并在糖代谢和脂肪代谢过程中起重要作用。

不幸的是，肝脏特别容易受到毒素（例如，酒精过量）和肝炎等疾病的伤害。即使使用正确的药物也会导致肝脏暂时性或永久性地功能障碍。事实上，肝脏是最频繁受药物毒性影响的器官。目前基于实验室阶段的系统和动物模型并不是预测药物对人体肝脏毒性的理想模型。

在进入临床实验阶段前，使用肝脏组织对新药进行毒性测试，可以帮助安全、快速地预测药物的肝脏毒性。最终，肝脏芯片可以加速药物开发过程，并能够更快地向患者提供更新、更好的治疗方法。

肝脏芯片

美国国立卫生研究院（NIH）支持的几个团队正在开发具有人体肝脏功能的三维装置，包含多种类型的肝细胞。肝脏模型目的是用于模拟人体肝脏在新药测试中的反应。

匹兹堡大学的一个团队在芯片上制备了人工肝脏，包含四种不同的细胞类型（肝细胞，星状细胞，肝巨噬细胞和内皮细胞），它们能够自组装成与体内类似的片层结构。该芯片能产生生化代谢信息并具有稳定的功能。该模型的关键特征是通过荧光标记细胞，可以直观地显示出细胞功能的变化，例如细胞死亡或自由基损伤。

匹兹堡大学的科学家通过生物组织工程技术制备了一种肝脏芯片，通过荧光标记物揭示细胞关键功能的变化，例如细胞死亡或细胞损伤。

该视频显示了在芯片上将具有毒性的药物添加到肝脏时会发生什么：使用两种不同的生物传感器，研究人员可以观察到细胞如何开始解体并死亡。 

芯片上的肝脏和心脏

加利福尼亚大学伯克利分校NIH支持的科学家团队，使用一种特殊技术从体细胞重编程的诱导多能干细胞（iPSCs）中产生肝细胞。干细胞具有分化成许多不同细胞类型的巨大潜能。干细胞在生命早期和胚胎发育中非常重要; 在成人中，干细胞在组织修复和维持中起作用。iPSC可以产生无限的供体细胞，能够诱导形成芯片装置需要的肝脏组织和其他类型的组织。

加州大学伯克利分校的科学家们将人类心脏组织和肝脏组织组合在一起，目的是对潜在药物进行毒副作用筛选。该系统还能有助于科学家模拟罕见的遗传疾病并研究治疗方案。

加州大学伯克利分校的研究小组开发的一种肝脏。如左图所示，该设计可使肝组织几周时间保持活力，从而实现长期实验。

这张照片显示大多数细胞在四周内存活。（活细胞是绿色的，死细胞是红色的。）

芯片上的肝脏，心脏和微血管

由哥伦比亚大学，麻省理工学院，波士顿大学，哈佛大学威斯研究所和耶鲁大学的研究人员领导的另一个项目涉及将iPSC分化的肝细胞添加到特殊的生物材料中。这种材料可以提供一个三维环境来创建一个肝脏模块，科学家将其和类似的心脏细胞或微流控系统模块集成。由此产生的多组织平台可以实时观察细胞和组织在药物筛选和疾病预测模型中的反应。

哥伦比亚大学和麻省理工学院的科学家正在合作开发一种三维肝脏芯片。该视频显示肝脏混合物被注入通道以形成球状体。

上图显示了具有活细胞（绿色）和死细胞（红色）的肝脏球体。

左边的图像显示了肝脏芯片。右图是一个放大图片，显示肝脏球体如何放入装置并准备好进行下一步研究。

展望未来

科学家们可能会使用肝脏芯片来测试实验性的药物。该芯片提供数据以加速药物审批过程，使科学家能够更快地为患有肝病的患者提供新的治疗方法，包括转移性乳腺癌。

最终，科学家们的目标是将芯片上的肝脏与其他人体器官和系统模型集成起来，进行各种研究，包括药物和化学测试。一旦芯片上的肝脏与基于其他人体器官的芯片整合在一起，科学家将能够更多地了解药物被肝脏处理后，药物如何影响身体系统。研究人员还将能够研究进入其他器官（如胃肠系统）的药物引起的肝脏毒性。