生命科學儀器: 微生物細胞培養儀器芯片

Kirkstall串聯多器官芯片技術在毒理學中的應用

時間：2025/10/12閱讀：214

作者對14家歐洲中大型制藥公司進行了調查，這些公司在腫瘤學、神經學、心血管和免疫學等領域有50-80%的項目組合，但也涉及感染、代謝和呼吸系統疾病。調查揭示了研究毒理學在藥物發現和開發中的采用情況、范圍和影響。文章通過具體案例展示了研究毒理學如何在藥物開發的不同階段發揮作用，包括目標選擇、先導化合物識別和優化、非臨床和臨床開發等。

評估了多種新興技術和方法在研究毒理學中的應用，包括高含量成像、基因組學、誘導多能干細胞（iPSCs）、器官芯片技術等，并討論了這些技術的潛在影響和挑戰。

作者的關鍵結論

研究毒理學已成為制藥業的關鍵能力，通過預測臨床安全性、理解毒性機制和支持藥物設計，有助于減少藥物開發中的安全相關淘汰率。

技術進步，如iPSCs、3D組織模型、先進的微生理系統（MPS）和成像技術，正在改變研究毒理學的實踐方式，提高了對藥物毒性的預測能力和對人類生理學的模擬。

1. 多器官芯片系統概述

多器官芯片系統是一種先進的生物工程平臺，通過將多個器官芯片連接在一起，模擬人體內多個器官之間的相互作用。這種系統能夠更全面地評估藥物的分布、代謝和毒性，提供比單一器官模型更接近人體生理條件的研究環境。

2. 技術原理

多器官芯片系統通常基于微流體技術，通過微通道將不同的器官芯片連接起來，模擬體內的血液循環和物質交換。每個器官芯片包含特定類型的細胞或組織，這些細胞或組織能夠在芯片上形成微型化的器官模型。通過精確控制流體流動和細胞培養條件，這些芯片能夠模擬器官之間的生理和病理相互作用。

3. 心臟芯片與肝臟芯片的連接

在一項具體的研究中，研究者將“心臟芯片"和“肝臟芯片"連接起來，模擬藥物在人體內的藥代動力學/藥效學（PK/PD）關系。具體步驟如下：

心臟芯片：心臟芯片通常包含由誘導多能干細胞（iPSCs）分化而來的心肌細胞。這些心肌細胞能夠在芯片上形成具有功能的心肌組織，模擬心臟的電生理特性和機械功能。
肝臟芯片：肝臟芯片通常包含3D培養的肝細胞球體或肝細胞與非實質細胞的共培養體系。這些肝細胞能夠在芯片上模擬肝臟的代謝功能，包括藥物的代謝過程。
連接與模擬：通過微流體通道將心臟芯片和肝臟芯片連接起來，模擬體內的血液循環。藥物首先在肝臟芯片中代謝，代謝產物隨后通過微流體通道輸送到心臟芯片，模擬藥物在體內的分布和代謝過程。
數據采集與分析：通過高含量成像（HCI）技術、電生理記錄和其他生物傳感器，實時監測藥物對心臟和肝臟細胞的影響。這些數據能夠提供藥物在不同器官中的毒性效應和藥效學特征。

4. 應用案例

在一項具體的研究中，研究者通過將“心臟芯片"與“肝臟芯片"連接，評估了藥物在體內的PK/PD關系，特別是藥物的心臟毒性和肝臟毒性。

藥物選擇：研究者選擇了一種已知具有心臟毒性和肝臟毒性的藥物，如特非那定（terfenadine），作為研究對象。
實驗設計：將特非那定引入肝臟芯片，模擬藥物在肝臟中的代謝過程。代謝產物隨后通過微流體通道輸送到心臟芯片，模擬藥物在體內的分布和代謝過程。
數據采集：

肝臟毒性評估：通過監測肝細胞的代謝活性、細胞凋亡和炎癥反應，評估藥物對肝臟的毒性效應。
心臟毒性評估：通過監測心肌細胞的電生理特性（如動作電位、心律失常）和機械功能（如收縮力），評估藥物對心臟的毒性效應。

結果分析：

肝臟毒性：研究發現，特非那定在肝臟芯片中引起了顯著的代謝變化，包括細胞色素P450酶的抑制和細胞內活性氧（ROS）水平的增加，這些變化與藥物的肝臟毒性相關。
心臟毒性：研究發現，特非那定的代謝產物在心臟芯片中引起了顯著的心律失常和心肌細胞收縮力的減弱，這些變化與藥物的心臟毒性相關。

PK/PD關系：通過連接心臟芯片和肝臟芯片，研究者能夠模擬藥物在體內的代謝過程和分布，評估藥物在不同器官中的毒性效應。這種多器官芯片系統能夠更全面地評估藥物的PK/PD關系，提供比單一器官模型更準確的毒性預測。

5. 技術優勢

生理相關性：多器官芯片系統能夠模擬人體內多個器官之間的相互作用，提供更接近人體生理條件的研究環境。
實時監測：通過高含量成像和電生理記錄等技術，能夠實時監測藥物對不同器官的影響，提供動態的毒性評估。
個性化研究：通過使用患者特異性的iPSCs，能夠構建個性化的器官芯片模型，用于評估藥物對特定患者的毒性效應。

6. 未來發展方向

標準化與驗證：需要建立標準化的多器官芯片模型，以確保其在不同實驗室和研究中的可重復性和可靠性。
多學科合作：需要跨學科合作，包括生物工程師、細胞生物學家、毒理學家和計算科學家，共同推動這些技術的發展。
數據共享與開放創新：通過建立數據共享平臺和開放創新合作，能夠更好地利用這些技術，推動毒理學研究的進步。

總之，多器官芯片系統為毒理學研究提供了一個*的工具，能夠更全面地評估藥物的分布、代謝和毒性。這些技術的發展和應用將有助于開發更安全、更有效的藥物。

友情通知：

北京基爾比生物科技有限公司& Kirkstall Quasi Vivo將參展2025年10月15日～10月18日舉行的 lUTOX 第 17 屆國際毒理學大會，敬請關注

附：

Kirkstall Quasi Vivo®類器官串聯芯片3D灌流培養系統

儀器設備的功能用途

又稱為微流體“芯片上器官"系統，具有相互連接的細胞培養單元，為類器官生長提供更具生理相關性的體內微環境。

通過提供一種近生理的體外模型，模擬細胞微環境，具有更完整的結構和功能，解決動物與人類之間的種屬差異，且可在體外模擬多種器官特異性疾病狀態，反映藥物在體內的動態變化規律和人體器官對藥物刺激的真實響應，捕捉復雜的生理學反應，并滿足高通量的要求。它是一個多室流動系統，為類器官培養提供了一個緊湊、易于使用的解決方案，包括3D、屏障，或多器官。在疾病模型，藥物篩選和毒性測試，再生醫學和組織工程，發育生物學研究，感染與免疫研究，個性化醫學，癌癥研究等領域被廣泛應用。

兼容多種細胞來源，包括原代細胞、誘導多能干細胞（iPSC）、類器官和細胞系等，也可以引入健康細胞、患病細胞、腫瘤細胞。