器官晶片 organ-on-a-chip - 動物試驗的替代方案 (影片有中英及多國語言文字幕）

各位好,我是盧學彥 今天要來在百業分享堂上分享的是已經發展了一段時間 但去年NIH強力推動減少動物實驗當中 而直接被提及的一種研究方法 就是器官晶片,也就是TITLE的Origin on a Chip 這是一種結合生物學、組織工程 以及微流道技術的體外模型 它最主要的目的其實是想要在可以控制的環境當中 去想辦法重現出人體組織的重要結構或者是部分的功能 接下來我大概就是想要去介紹它基本的概念 還有簡單介紹它在研究與藥物開發上的應用 以及目前可能會仍然需要克服的限制 器官晶片並不是把完整器官縮小放進一個晶片 想辦法把人整個塞進 或者是把人塞進一個鏡片 它主要其實是選擇一個具有代表性的功能單元 想辦法在體外進行重建 例如可能就是 肺部晶片長聚焦在肺部上皮以及微血管內皮形成的屏障 那也有可能是 腸道鏡片可能就會著重在腸道上皮、血管 甚至可以在同時 去試著去看它們跟微生物之間的互動 那這晶片通常會有幾個核心的元素 大致上就是具有生理意義的人類的細胞 那盡可能的話可能會使用人類細胞 或是Primary Cell 甚至是IPS Derived的這種Cell 去更貼近實際上人體的這個狀況 那在第二個部分的話就是微流道的通道 它是可以讓培養液、藥物 或者是甚至讓這種流動時的免疫細胞 它可以持續的流動 那第三個的話是多孔膜 或者是它可以去想辦法模擬 細胞外的基質就是Extracellular Matrix 想辦法去建立不同層的細胞 讓這些不同層的細胞之間 有它本來可能在生理上需要有的介面 那部分的系統可能甚至還可以增加一些 機械力啊剪切力啊等等的方式 然後改變一些細胞可能受到的壓力等等 軟硬度之類的東西 想辦法去模擬一個器官 可能在生理上會具有的一個物理性的刺激等等的 然後最後再試著透過一些影像啊 屏障的等等的方式 然後或者是這些細胞它的代謝狀況 分泌出來的因子等等 甚至也有人去會看它的基因的表現 想辦法去持續觀察在這個模擬的組織當中 它的所有的反應 那在傳統的2D plate上面的這種細胞培養啊 它其實就是因為操作非常快速 然後成本也比較低 那它是非常適合拿去試著去做一些基礎的研究 像是可能去研究一些 Signaling transduction等等的 但是因為在這種平面上的時候 它們其實缺少就是在生理上需要有那些組織的結構 或者是旁邊的液體的流動性和細胞之間 它們可能應該是要堆疊而不是靠在一起 或是中間甚至其實根本沒有任何的 Cell-Cell Interaction等等的狀況 那動物模型雖然它可以反映全身性的 就是整個全身性以及甚至是生物性 在in vivo這種情況下的反應 但它就是因為物種上的問題 它其實常常會有一個問題就是 當這個動物實驗進到人體實驗的時候 它的代謝的方式啊 免疫的反應 毒性的預測等等還是會有非常大的差異 那當然就是在這個情況之下 希望可以減少過多的這些動物實驗 那器官晶片其實就是希望介於兩者去衡量說 那是不是在這個情況之下 它進到動物實驗的時候 它需要先透過這個來參考 所以在這個東西上面它使用了人類的細胞 那並且試著以3D的方式去進行建構 讓這些細胞可能讓它可以更符合一點 在生理情況之下它所擁有的結構流體的特性等等的 就是讓細胞之間可能更有 在生理上意義的這種方式然後去進行測試 然後它反而可能可以去回答一些為什麼在 在這種2D的Cell Culture上 到動物實驗甚至人體實驗上 它們所遇到的這種中間的Gap 去彌補這中間的這些Gap 那不過它當然不是一個要完全替代這些實驗的方式 它是想辦法去互補去fit 去幫助當中這些彌補當中這些可能有落差 然後去增加這些藥物發展等等的進程 那這個器官晶片的建立通常是從研究問題開始 所以從一開始的話可能就要先想辦法去定義想要重現的功能 那還有最後做的是想要做怎樣的策略 那例如你現在是需要評估一個屏障的損傷 可能像腸子的屏障的損傷 或者是這個藥物它的毒性 或者是這個免疫細胞它是不是會受到遷移等等這樣的方向 那就會根據這些來選擇細胞的來源 然後通道該怎麼樣的設計 那在這個細胞的機制上 它是需要用怎樣的機制去想辦法幫助這些細胞可以建立3D的結構 然後還有試著就是因為它是微流道的系統 所以這時候也要去考慮到 當它如果是3D的狀況的時候 它可以承受的流速 或者是你為了生理意義而需要去調整 讓這些流速的狀況變得如何這樣子 那模型建立後不太可能直接進入藥物的實驗 當然就是在這部分當中可能要先確認細胞的型態 存活率、功能、還有長時間的穩定性 然後還要先來預設可能可以接受的標準 在這個情況之下模型的完整之後呢 才能開始進行正式的想要測試的藥物 或者是可能病原體 或者是試著去誘導疾病的產生 或是給予一些可能造成疾病的那些刺激 然後這時候才能 最後它才能去試著去整合整個功能性 然後去看這些molecular level的部分的結果 那這個流程當中最重要的觀念其實是 設計都必須回到原本最初的目的 就是想辦法去fit for purpose 目前幾乎所有主要的器官都有相對應的晶片模型 就是常見的像是肺晶片 它是可以建立空氣與血液之間的流動的屏障 並且甚至可以做一些加入一些拉伸 來模擬肺在呼吸的時候的狀態 那可能像肝臟的部分 它常常就做藥物的代謝以及肝毒性的評估 畢竟這很多大量的藥物 它可能是經由口服等等的方式 它都需要經過肝臟這個部分 有可能會造成一些肝毒性 那腸道晶片部分的話當然就是可以研究吸收 然後腸道發炎 或者是與腸道菌之間的影響 不管是益生菌 或者是目前可能有研究容易造成一些其他疾病 或者是這些被認為是比較壞的腸道菌等等的 那腎臟晶片的部分的話 可能會著重在就是 像腎小管的運輸還有腎的毒性 那心臟的部分的話 也是會常常可以去模擬 就是這個心肌細胞可能的收縮狀態 或者是它甚至電生理的變化是如何 那血腦屏障的部分的話 最常用目前可能就是研究藥物的穿透性 還有這些神經發炎相關的等等 那需要最主要注意的就是 它其實每一個晶片 它其實只是要試著去重現 器官的一個部分的功能 所以研究者必須想辦法去了解 這個模型可以代表的是什麼 然後不能代表的是什麼部分 他沒辦法去完整的說 這個就是一個人體的器官 那器官晶片的一個重要優勢 是可以把組織細胞 血管的內皮與免疫細胞等等 這樣不同的東西放在同一個連通 但是不同的空間當中 試著去觀察它們在流動環境下的互動 那以發炎性組織屏障為例的話 我們可以在上皮區室中加入感染 或是發炎的刺激物 然後讓這些免疫細胞從血管的通道流通 然後接著的話你就可以試著去測量 可能這些細胞產生的Cytokine 或者是一些Protein等等的 然後也可以試著去看這些 免疫細胞是不是有Adhesion或是Migration的狀況 以及最後還可以看這些屏障 它通透性是否有改變 那這類型的系統 它其實特別非常 非常適合研究這種 有時間順序的狀況 所以就是像剛剛提到 就是組織它是先受到了刺激 然後這時候內皮細胞可能會活化 那它會去想辦法 Recruit這些在Circulation system當中的免疫細胞 然後這些免疫細胞之後 才會有它的其他的反應 那研究者也可以在 在不同的階段可能加入藥物 那你就可以去判斷它可以影響到的 可能是哪一個階段 像是發炎一開始的部分 內皮細胞發炎的部分 還是後面免疫細胞的Recruitment發炎 或者是最後可能這個Tissue 它在Repair的過程當中的一個狀況 那若使用一些可能更Primary的來源 可能從病人 Patient derived cell的話 甚至可以去比較一些 不同疾病的 就是可能不同疾病的亞性之間 或者是個體之間反應的差異 在早期研究階段部分的話 器官晶片它是可以拿來做 驗證這些藥物的標的 確認某一條 可能像Signaling pathway等等 在人體的組織環境中 是否真的具有這樣的功能 那進入這些Drug Candidate的評估之後 那你可以去觀察這些藥物 它是否會改善一些組織的功能 然後而不是單純去看 可能單一個Molecule Protein啊等等之類 它的表現量的差異 那在安全性的部分的話 像是可以看到 肝、腎、心臟等等這些 可以幫助瞭解 就是可以去幫 應該講說這些的晶片 它可以試著去幫忙看 說是否對這些 器官特異性的毒性等等的 那如果使用不同的捐贈者 或者是剛才提到的 就是不同的這些Patient Donor 或者是不同的基因背景的細胞 它也能去多評估一些個體的差異 那是否這個藥物 它對於不同的個體差異 會有所不同的影響 這也是可以用這個方式 盡量去評估的 那還有更複雜的部分 當然就是甚至可以把 不同的器官的這些晶片 讓它們連在不同的Space上 連在一起 然後試著去看 前面一個器官它代謝 或是它碰過這些藥物之後 到了下一個器官 或是前一個器官的反應 它到了下一個器官的時候 會造成怎樣的狀況 或者是會讓下一個器官 有怎樣的反應 有沒有改變它的功能 試著去更加的模擬 在人體當中這些生理性的功能 器官晶片目前還是有 面臨非常多的挑戰 那在生物方面的話 可能像是有 細胞來源的問題 分化的成熟度 或者是這些Donor它的狀況 都有可能造成非常多的變動 那在技術的部分的話 有可能就是像這些材料的特性 或是這些通道的大小 那裡面的液體的流速 或者是很容易產生氣泡 都是一些問題 那這些它們其實都會去 影響到前面 就是剛剛提到這些生物它的部分 那它可能就會造成 這些細胞沒辦法很好的 模擬生理現象該有的反應 那再來就是的話 就是這個器官晶片 它雖然可以想辦法去模擬 部分的功能 但在人體當中 在生物體當中 它其實是有很多個系統 互相的影響 所以它可能也會去缺少 可能像是你平常的一個器官 它可能會有內分泌系統 神經系統 或是免疫系統等等的 去進行調控 或是跟它有之間的interaction 那這樣子的情況之下 可能就沒辦法模擬成這個樣子 那如果你是用 當然就是也可以試著去 把這個晶片變成是多器官的晶片 然後去做測試 但這樣子的複雜程度提高的時候 它其實也會去影響到 整個操作的問題 以及還有就是 可能你在做藥物screening的方向 它其實就會有非常大的限制 然後因此在做這種 器官晶片它的模型驗證的時候 可能就不能單純看 細胞是否還活著 所以還要去確認這個模型 它到底可以去展現出 哪一部分的生理的功能 然後再來就是 它是否可以甚至在不同的 細胞的來源當中 不同的可能donor 或是不同的細胞的批次當中 都可以去重複出 有這種有意義的 的結果 然後或者是可以想辦法去偵測到 真的具有這種 生理意義它的變化 然後去反映出這些可能藥物 或者是生理現象的改變 並且你也要確定說這種東西 為了要推進藥物的這種研發 那它一定是需要 不可能只在一個實驗室可以成功 它需要有非常多 它需要有很好的再現性 它要讓在其他部分的單位 也可以得到一模一樣的結果 或是類似的結果 這樣子才能去提高這個東西 它可能真的在 提供生理意義還有 科學性上面的重要性 那當然就是 在這一部分的話 當然為了要去support這些藥物的開發 當然也要 想辦法去設定更好的 明確的使用的方式 然後這種 SOP的建立 然後還有到底要 如何去將它的驗證 也去進行標準化 並且是具有科學意義的 這樣子 那目前未來 器官晶片的發展可以整理成 三個方向 第一個部分的話可能是 透過更成熟的人類細胞 或者是病人來源的模型 以及即時的檢測 然後進而去提高 這種對人體的 生理反應的預測的能力 那第二個部分的話 可能就是想辦法去建立 共同性的 一個檢測的指標 還有到底要怎麼去做這個驗證 然後讓不同的平臺 以及甚至不同的 操作者等等都可以去 進行比較 看是否真的是一個可以幫助 可以去模擬 一個生理現象的 一個實驗方法 那最後當然就是 希望這種實驗方法 可以去想辦法 去支持這些藥物 真的可以進入 更後面的開發階段 這樣子 那總結來說的話 就是器官晶片它的價值 不是在想辦法 去取代現有的 任何的藥物開發的材料 它是希望可以去 在一個 在一個可控的 系統當中加入一些 更與人類相關的 這些組織 然後想辦法去模擬它的 生理意義 然後試著去回答 一些 可以幫助這些 藥物在進行開發的時候 的一些需要得到的問題 然後去減少後面不必要的 開發或者是不必要的流程 這樣子 然後希望就可以 連接這種基礎研究 還有Translation當中的 工具 大致上就是 器官晶片它最重要的 一個價值吧 大致上這樣 謝謝