每年，美国政府花费数亿美元储备针对潜在生物、化学和放射性战剂的对抗措施。出于伦理原因，其中许多治疗方法从未在人体上进行过测试。现在，美国军方和民用科学机构正在支持开发用于测试的次佳方案：塑料芯片上的微型人体器官。
哈佛大学韦斯生物工程研究所（位于马萨诸塞州波士顿）的生物工程师唐纳德·英格伯（Donald Ingber）说：“让人类暴露于类似福岛核灾难那样的辐射是不道德的，但你需要做好准备。” 在美国食品和药物管理局的支持下，他正在调整他的“芯片骨髓”以研究有害辐射和实验性疗法的效果。
其他沿着类似思路工作的研究人员在上周于华盛顿特区举行的美国微生物学会（ASM）会议上讨论了他们用于生物防御应用的模型器官的研究工作。他们的希望是，这些复杂的三维系统将比在培养皿中生长的细胞，甚至动物，更好地模拟人体生理学。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
形成模型器官的常见方法是将细胞播种到小型塑料芯片的通道中，然后用富含营养的液体喂养它们，这种液体流经系统以模拟血液。这些设备可以单独使用，也可以连接到其他类型的芯片器官，以近似生物系统，或者——最终——可能是一个完整的人体。
美国环境保护署计划下个月宣布一项 1800 万美元的计划，将“芯片肝脏”与模拟胎膜、乳腺和发育肢体的芯片连接起来。最终目标是研究二恶英和双酚 A 等环境污染物如何在肝脏处理后改变这些器官的代谢。
模型器官系统提供的灵活性对于研究危险病原体的研究人员特别有吸引力，因为动物研究费用昂贵且需要安全限制。在 ASM 会议上，太平洋西北国家实验室（位于华盛顿州里奇兰）的微生物学家约书亚·鲍威尔（Joshua Powell）介绍了测试炭疽孢子感染兔子肺细胞生长的三维“肺”能力的实验。这些细胞位于液体和空气之间的界面，就像在真实的肺中一样。
鲍威尔说，美国国土安全部有兴趣使用该系统来回答诸如多少炭疽孢子足以在体内引起疾病等问题。
英格伯说，特别是对于某些病毒，研究人员“对机制一无所知，他们需要机制来获得新的药物靶点”。感染模型器官可以让研究人员实时观察基因表达和代谢如何变化。
这种信息也可用于在化学、生物或放射性袭击期间识别未知制剂，方法是提供已知制剂的基线数据以进行比较。范德比尔特大学（位于田纳西州纳什维尔）的生理学家约翰·威克斯沃（John Wikswo）和他的同事已经证明，他们可以通过分析细胞的代谢活动来快速区分蓖麻毒素和肉毒杆菌毒素等毒物（S. E. Eklund et al. Sensors 9, 2117–2133; 2009），现在将应用模型器官方法。
国家转化科学促进中心（NCATS，位于马里兰州贝塞斯达）的项目经理克里斯汀·法布雷（Kristin Fabre）说，研究人员已经开发了数十种单独的模型器官；下一个挑战是将它们连接在一起，最终目标是在芯片上形成一个完整的人体。这将更准确地描绘出药物、毒素或其他制剂对人体生理学的影响。
威克斯沃幽默地将这样的系统称为“芯片人”（Homo chippiens）——但他警告说，模拟人体绝非易事。在其他挑战中，在模型器官之间流动的血液替代品必须以正确的顺序和正确的量到达它们，并为每个器官携带正确的营养物质。
但很多人都在尝试。一个由 NCATS 资助的项目旨在连接至少 4 个芯片；11 个研究团队正在参与。美国国防部高级研究计划局正在支持开发连接十个器官的技术，其国防威胁降低局旨在构建两个四器官系统。
法布雷预测，其中一些系统可能会在五年内提供给学术界和工业界使用。她希望它们将被证明在动物是人体生理学的糟糕模型的情况下特别有用。她说，随着研究人员越来越接近这个目标，“就像科幻小说每天都在变成现实”。
本文经许可转载，并于2015年2月17日首次发表。