科学家开发新的“芯片心脏”

所谓的芯片心脏系统可以使科学家比动物试验更准确地评估新药的安全性和有效性。

心脏几乎是爱的普遍象征，也是身体最重要的器官之一。现在，为了更好地了解心脏的内部工作原理，科学家们正在信用卡大小的设备中重现该器官的生物学特性。 

这种新的“芯片上的心脏”设备目前由美国国家标准与技术研究所（NIST）的一个团队正在开发，它模仿了人类心脏内细胞的相互作用。研究人员表示，该技术可用于研究心脏病，这是美国死亡的主要原因。

传统的动物实验——通常使用实验室老鼠和猴子等动物——并不能完美地捕捉疾病的进展情况或药物在人体内的作用。正因为如此，研究人员正在努力开发更准确的方法来在实验室中模拟人体器官的复杂性和复杂性。这种准确性对于药物开发尤其重要，因为90% 的候选药物目前未能人体临床试验。

正在开发的新型类人模型包括类器官，即由干细胞生长的微型器官，以及芯片上的器官模型，其中细胞存在于特定组织生长在模拟体内器官生理条件的芯片上。许多器官都已在此类芯片中建模，包括肺、肾和阴道。 

科学家们开发了芯片心脏模型，特别是用于研究心脏受伤后如何愈合和心脏病，以及帮助药物发现。芯片上的心脏甚至被发送到太空来研究微重力对心脏的影响。 

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在 2 月 6 日发布的声明中，NIST 团队表示，这种技术（包括他们的新型芯片心脏模型）可以简化药物开发，使其更快、更安全、更高效。更确切。重要的是，这些模型不会取代人体临床试验——它们有望减少或取代人体试验开始之前所需的动物测试。 

领导新芯片开发的 NIST 生物医学工程师 Darwin Reyes 在接受 Live Science 采访时表示：“该系统可以考虑用于芯片上的心脏和其他器官的生物制造和再生医学。”电子邮件。 

这些芯片通常有透明或半透明的盖子，通过观察内部，研究人员可以看到流体通过微小的通道流动，这些通道像水流一样相互连接。就 NIST 的芯片而言，这些通道模仿心脏中的血管。科学家在这些通道内培养人类心脏细胞，并可以研究细胞对系统中添加不同药物的反应。 

雷耶斯说，与现有的芯片心脏模型不同，新的 NIST 模型中的细胞可以排列在多孔膜的相对两侧，这意味着它们可以通过信号分子相互通信。他说，研究小组的下一步是评估这些心脏细胞在正常和压力诱导的条件下如何表现。 

不同的器官芯片也可以连接在一起——例如，肝脏芯片可以连接到心脏芯片，这可以使科学家们研究这两个器官在接触某种药物后如何相互作用。 

在最近于 2 月 6 日发表在《芯片实验室》杂志上的一篇对这些技术的综述中，雷耶斯和一位同事强调，在建立芯片器官模型之前，需要进行“大量工作”。用于临床前药物试验。例如，这些设备中使用的心脏细胞是从干细胞中生长出来的，通常不会完全成熟。因此，它们并不类似于成人细胞，而是类似于发育中的胎儿中发现的细胞。 

芯片心脏模型中使用的某些材料也需要改进。例如，聚二甲基硅氧烷是一种常用于制造芯片的聚合物，但它“相对昂贵”并且很容易吸收小分子。作者写道，这种容易吸收的现象可能会扭曲科学家的药物测试，使他们认为某种物质会产生某种效果或缺乏毒性迹象，但事实并非如此。 

尽管如此，研究小组表示，随着进一步的磨练，器官芯片模型可能会导致新药开发和测试方式的“范式转变”。去年，美国食品和药物管理局认识到了这些设备的潜力，该机构裁定，只要它们生成的数据足够可靠，它们就可以代替传统的动物测试。  

编者注：本文于 2024 年 5 月 3 日更新，此前 NIST 对其原始声明进行了修正，澄清该模型仍在开发中。该故事首次发表于 2024 年 2 月 14 日。