疾病模型

疾病患者迫切需要更有效、副作用更少的治疗手段。因此，科学家们需要更快、更有效的方法来测试实验性药物，并帮助获取进入临床试验的批准。有望实现这些目标的新技术包括三维疾病模型，例如模拟人体生理学的人体组织芯片装置，这些技术有助于更好地预测药物在人体中的实际作用。

美国国立卫生研究院支持的科学家团队正在研究多种组织芯片模型，这些模型概括了人类疾病的关键方面，旨在更多地了解这些疾病的情况，并设计新的治疗方法。

· 肝脏转移性乳腺癌

· 罕见的心脏和肌肉疾病

· 带血管的肿瘤

肝脏转移性乳腺癌

当癌症通过转移过程扩散到肝脏或身体的其他部位时，高达30％的早期乳腺癌患者最终会复发。肝脏转移性乳腺癌无法治愈，但可以被控制，患者有时可维持生存多年。

NIH支持的美国麻省理工学院和匹兹堡大学的科学家开发了一种三维系统，可以使人体肝脏组织在实验室中保持活力一个月或更长时间。芯片可以模拟人体内的各种条件，其中一些在动物或其他模型系统中无法模拟。将乳腺癌细胞接种到肝脏芯片系统中，从而在肝脏中形成转移性乳腺癌模型。

该团队正在使用此生物工程系统来了解更多信息：

· 乳腺癌细胞如何在肝脏中繁殖。

· 癌细胞如何与正常肝细胞相互作用，以保护癌细胞免受身体防御。

· 癌细胞如何对化疗起反应。

上图显示了肝脏芯片模型中的人肝细胞（蓝色）和乳腺癌细胞（红色）。左图显示了用化疗药物多柔比星（DOX）治疗后的细胞。乳腺癌细胞处于休眠状态（不增殖），但在生物工程系统中进行DOX处理后它们仍然存活。然而，如右图所示，当科学家使用一种名为脂多糖物质、生长因子以及DOX化疗来模拟炎症时，细胞就会从休眠状态中开始增殖。该实验表明，肝芯片是一种有效的系统，用于模拟休眠癌细胞在肝脏激活和开始生长的条件。

罕见的心脏和肌肉疾病

巴斯综合症是一种罕见的遗传病，几乎只发生在男性身上。这种疾病会削弱包括心脏在内的肌肉组织，使其严重肿大。巴斯综合症会导致心力衰竭，这是一种致命的疾病，心脏不能泵出足够的血液来满足身体的需要。

巴斯综合症是由一种名为TAZ的基因突变引起的，该突变影响线粒体在肌肉细胞中的作用。线粒体通过产生能量供细胞的其他部分使用，从而发挥细胞“发电站”的功能。肌肉细胞中受损的TAZ基因阻止TAZ蛋白的正常产生，导致心脏功能低下。

为了更好地了解巴斯综合症，NIH支持的哈佛大学研究人员开发了一种在芯片上培养心肌细胞的方法。研究人员从体细胞重编程的诱导多能干细胞（iPSCs）中分化产生心肌细胞。干细胞拥有发展成多种不同细胞类型的巨大潜能，在早期生命和胚胎发育中都至关重要；在成年人中，干细胞在组织修复和维持中发挥着重要作用。iPSC可以产生无限的供体细胞，能够形成芯片装置需要的心脏组织和其他类型的组织。心脏芯片上的细胞甚至可以像真人心脏一样同步跳动。

当研究人员使用来自患有巴斯综合症的人的iPSC来构建心脏芯片时，心脏组织显示出心跳减弱和组织结构不良，从而形成了一个模仿巴斯综合症患者的心脏模型。

当研究人员将正常形式的TAZ蛋白质引入到巴斯综合症芯片的心脏细胞中时，细胞再次开始强烈地跳动。该团队在合成化合物存在下观察到相同的有益效果，这表明心脏芯片可能很快就会被用于测试这种目前无法治愈的疾病。在药物进入临床试验阶段前，潜在新药可以在巴斯综合症的心脏芯片上进行测试，观察心脏细胞的功能是否如预期一样恢复。

左图显示了哈佛大学正在开发的心脏（心脏）芯片，包括可以实现心脏收缩的悬臂。右图描绘了心脏芯片上排列的正常心脏细胞。

在这一系列显微照片中，顶部图像显示健康肌肉，中间图像显示来自患有巴斯综合症患者的紊乱肌肉细胞，并且底部图像显示科学家添加正常TAZ蛋白后的患病组织。

这些视频截图显示了正常的心脏细胞收缩(左: 巴斯综合症患者的心脏细胞收缩较弱(中);科学家在巴斯综合症细胞中加入正常的TAZ蛋白，使细胞以适当的强度跳动(右图)。

带血管的肿瘤

抗癌药物是具有毒性的，这就是它们杀死肿瘤细胞的方式。然而，它们也能杀死身体其他部位的健康细胞。例如，用于治疗某些类型乳腺癌和胃癌的曲妥珠单抗(Herceptin)可能导致充血性心力衰竭和其他心脏问题

圣路易斯华盛顿大学和加州大学欧文分校的研究人员正在开发一种芯片，研究在微小血管支撑下处于自然环境中的肿瘤。研究表明，肿瘤细胞在三维生长时表现与传统平面方法不同。在3D系统中，肿瘤细胞具有不同的形状并且对癌症药物更具抗性。在3D芯片上测试候选药物使研究人员能够更真实地了解药物对人体内肿瘤生长抑制。

肿瘤芯片包括功能正常的血管，这是体内肿瘤存活所必需的。一些癌症药物针对供应肿瘤的血管，希望饿死肿瘤细胞。然而，这些药物也可能影响身体其他部位的血管，可能导致高血压和血栓。肿瘤芯片可以帮助研究人员在攻击肿瘤和保护血管之间找到平衡点。

这种肿瘤芯片还可能与心脏和骨髓组织相连，而这两种组织都可能被抗癌药物破坏。这种方法可以使研究人员观察候选药物如何影响这些组织。

这种三维芯片是为了在其微小的菱形腔体内储存人类细胞而制造的。

该图像显示了菱形腔室内沿着微血管中生长的人类肿瘤细胞（绿色）。

该图像是在芯片上的血管网络中生长的人结肠肿瘤的放大图。一些绿色荧光标记的肿瘤细胞离开主要肿瘤并通过血管流出。

展望未来

一旦这些模型与基于其他人体器官的芯片集成，科学家将能够更多地了解其他身体系统如何影响疾病。例如，科学家们可以研究免疫系统如何影响转移性肿瘤的活性和生长，或者心力衰竭的经验性治疗如何影响其他器官。

最终，科学家们可能会将这项技术应用于精准医学以预测哪种治疗方法对一个人的特定疾病最有效的同时，尽量减少副作用。科学家可能会使用肝脏芯片来确定化疗药物的最佳使用条件，例如，早晨/晚上，禁食/饱腹。

https://ncats.nih.gov/tissuechip/chip/disease