“人体芯片”技术可以替代动物实验

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现在，在研制新型处方药和解毒剂的早期阶段，研究人员会进行大量的动物实验；动物实验不仅成本高而且耗时长，


科学家也得不到人体对这些药物反应的准确数据。

如果不用进行动物实验或人体实验，科学家就能预估潜在有害化学物质、病毒或毒品对人体产生的影响，情况会是怎样？

为了实现上述目的，美国劳伦斯利物莫国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）正在研制一种“人体芯片”，此芯片是一种微型外部人体复制品，综合运用了生物学和工程学技术。劳伦斯利物莫国家实验室的研发团队在此人体芯片上将微流体（微型管路网络）和多电极阵列（将神经元与电子电路相结合的设备）相结合。

劳伦斯利物莫国家实验室的人体芯片项目被称为iCHIP（体外芯片人体研究平台的英语缩写），主要由四个生物学系统组成：中央神经系统（大脑）、外周神经系统、血脑屏障和心脏。

戴夫·欶斯卡是劳伦斯利物莫国家实验室的工程师，也是“大脑芯片”研制团队的领导人之一，大脑芯片是模拟中央神经系统的装置。戴夫·欶斯卡说道：“这是一个测试平台，用来检测各种新药。如果研究人员有一套被设计成十分接近人体环境的系统，研究人员就用不着进行周期冗长的动物实验，动物实验提供给我们的信息不一定与人体相关。”

iCHIP研发团队将他们的精力主要用来研究人体大脑；他们试图弄明白神经元如何互动，对化学刺激会产生怎样的反应，例如大脑受到咖啡因、阿托品（一种用来治疗中毒和心脏骤停的药物）、辣椒素（一种含有红辣椒辣素的混合物）以及劳伦斯利物莫国家实验室法医中心的化学物质等激后的反应。

iCHIP平台将多种脑细胞以混合方式培植在一个装置里，这是iCHIP平台独有的特点。为了研究人体大脑，初级神经元被植入一个微电极阵列装置，该装置能模拟人体大脑的四个区域（例如海马区、丘脑区、基底神经节和脑皮层）。在脑细胞长成后，将一种化学物质（例如阿托品）注入微电极阵列，神经元的生物电活动情况将被记录下来。

欶斯卡说道：“这种装置的理念就是让我们能观察到大脑各个区域的全局性反应，我们能观察到大脑更复杂的整体反应，我们之前无法做到这一点。”

欶斯卡表示：初步结果显示海马区细胞和脑皮层细胞能在芯片里存活数月，这些细胞的反应将被记录并予以分析。

人体内有一套被称为血脑屏障的重要机制，该机制能在化学物质或毒物抵达中央神经系统之前，对其进行过滤，这是人体的重要特征之一。劳伦斯利物莫国家实验室的工程师莫妮卡·莫亚领导的研发团队试图利用iCHIP平台复制出人体血脑屏障。莫亚他们使用的装置采用微管和微流控芯片（该芯片采用微型蚀刻管道而不是微管）来模拟血液流经大脑。莫亚的研发团队用咖啡因和其他化学物质对该装置进行了测试，以确保该装置正常工作以及装置内的细胞对这些物质反应与人体大脑一致。

莫亚表示：“血脑屏障是大脑的门卫，让血液里的营养物质进入大脑，阻止潜在的有毒物质进入大脑；但血脑屏障的功能太过有效，可能阻止了一些治疗药物进入中央神经系统。一套真实的人体实验血脑屏障模型将有助于研究人员研究血脑屏障的渗透性；作为一套用于药物研发的体外模型，iCHIP平台的用途让人难以想象。”

莫亚说道：研制iCHIP平台能促进新型癌症药品和疫苗的研发以及提高对生物武器防御措施功效评估的准确性。

科学家希瑟·恩赖特是外围神经系统研究团队的领导人，外围神经系统是将大脑与四肢及其他器官连接的神经系统。外围神经系统装置是多个微电极阵列嵌在玻璃上，微电极阵列内植入了脊椎神经细胞。类似与辣椒素这样的化学物质（用于研究疼痛反应）就能通过一个小型精确泵注入iCHIP平台，以刺激微电极阵列里的神经细胞。

微电极将记录神经细胞发出的电信号，能在不损伤神经细胞的情况下，让研究人员观察神经细胞对刺激做出的反应。与现有技术相比，iCHIP平台的这项技术极具优势。恩赖特表示：“像iCHIP平台这样的多电极阵列研究方式能让研究人员对神经细胞进行多次观察实验，研究人员能最大限度地从中获取数据。当对初级人体细胞进行测试时，iCHIP平台的这种功能显得尤为重要。例如，当研究人员观测人体细胞暴露在未知化学物质反应，细胞暴露数小时的反应与暴露数周乃至数月的反应是不同的。iCHIP平台提供了一种评估人体细胞在一段时期内的健康程度和功能变化的无损观察方法。”

此外，劳伦斯利物莫国家实验室早期还进行过在一个芯片上复制心脏的研究。在电刺激下，芯片上的心肌细胞成功地进行了跳动，研制心脏芯片的目的就是同时对心肌细胞的电生理学和运动进行研究。

伊莉莎白·惠勒是iCHIP研发团队的主要研究员，按照她的说法，iCHIP研发团队下一步将整合各个系统，从而建立一套完整的测试平台，用于研究某些基础科学问题。

惠勒说道：“最终目的是建立一个完整的人体平台，iCHIP平台不仅能为疫苗提供相关人体数据，还能为了解疾病机制提供有价值的信息。在将来某一天，从人体芯片系统得到的信息将用于研制定制药品。”

badking2046

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