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台灣動物平權促進會TAEA 的專欄

人體晶片裝置預測癌症藥物反應
2020/12/18
點閱率:101

作者 /Dr. Francis Collins  

譯者/簡滋儀     審訂/Fan Wu (密西根大學生物統計博士)

20200127-3 8f370
圖片來源:McAleer等人,《科學轉化醫學期刊》,2019

研究人員不斷地研發出一個個與人體器官結構相仿的微型人體組織,包括肝臟、腎臟、心臟,甚至是大腦。事實上,在這些成功的基礎上,一些研究人員正邁出下一大技術之步:將數個微型器官的構成要件同時放在一枚晶片上。

人體晶片(簡稱BOC)裝置將每一組織類型置 於碗豆般大小的腔內,透過裝滿液體的微通道將它們連接,在實驗器皿上形成活的、融合一體的生物系統。上面的圖片中,人體晶片上注滿了綠色液體,以使各個腔 室清晰可見。舉例而言,這個容易重新裝配的系統讓同時培育肝細胞(腔室1)、兩個癌症細胞株(腔室3、腔室5)和心臟功能晶片(腔室2、腔室4)成為可 能。

 研究人員讓化療藥物同模擬血液的液體一起在晶片上循環,測試藥劑對抗人體癌細胞的潛力,並同時得知其對晶片上其它腔室中的組織是否有潛在的不良反應。

這 個人體晶片裝置來自於美國國家衛生研究所(簡稱NIH)資助的一群研究員,其中有位於佛羅里達州奧蘭多的Hesperos公司的James Hickman和Christopher McAleer。他們兩位原本是受到羅氏製藥公司的瑞士同僚挑戰,要他們製出一個白血病晶片模型,目的是看能否在晶片上複製出diclofenac和 imatinib兩種藥物在人體中已知的藥效和毒性。

如他們在《科學轉化醫學期刊》中所發表的,這些研究人員不僅僅是達成那項挑戰。他們如同預期地證明了imatinib對肝細胞不會造成傷害 [1]。但是,施以diclofenac治療後,晶片上的肝細胞數目減少了百分之三十,此發現與這一藥物已知的毒物分析一致。

研 究人員們第二個也更具挑戰的實驗,是重新配置人體晶片,將有多重抗藥性的外陰癌細胞株置入其中一個腔室的同時,將對藥物治療有反應的乳癌細胞株置入另一個 腔室。這個系統為了研究副作用,也融入了一個裝有人體肝細胞的腔室、兩個裝有跳動的心臟細胞的腔室,以及分別測試細胞的電流和力學活動的裝置。

這些研究顯示常用於治療乳癌的藥物tamoxifen,的確殺死了晶片上相當數量的癌細胞。但是這樣的狀況只有在經晶片上的肝細胞處理過tamoxifen,製造出更活躍的代謝物之後才發生。

同時,不管有沒有肝細胞,tamoxifen都無法單獨對晶片上具有抗藥性的外陰癌細胞產生藥效。這類型的癌細胞先前已被證實會透過特殊管道將藥物吸出。在晶片上的實驗顯示了這種型態的抗藥性,可透過加入另一種名為verapamil的藥物來阻斷特殊管道而克服。

無 論是單獨使用tamoxifen或與其他藥物一起使用的治療,都對心臟細胞產生了一定的脫靶效應。雖然心臟細胞在治療後得以存活,卻收縮得較慢、變得較無 力。令人振奮的是,在單獨使用tamoxifen的情況下,心臟細胞會在三天後恢復原狀。但是在同verapamil結合使用的情況下,心臟細胞不會在相 同的時間內恢復功能。

這項進展之所以格外重要,是因為參加臨床試驗的實驗藥物當中,只有十分之一最後能夠獲得美國食品藥物管理局(簡稱FDA)的核准 [2]。候選實驗藥物常因其對人體大腦、肝臟、腎臟或其他器官顯示的毒性而失敗——而這些中毒反應在臨床前的動物實驗中往往無法被預測到。

當人體晶片被用於測試新的實驗藥物,尤其是結合多種藥物的療法, 我們期望能在開發早期更好地預測哪些化合物對人體是安全且有效的。對於那些注定失敗的實驗藥物,「愈早失敗」是減少藥物開發成本的關鍵。透過在腔室內培育病患的細胞,人體晶片也能幫助醫師為特定病患選擇最佳的治療方案。人體晶片的終極的目標則在於加速從「基礎醫學發現」轉化成「臨床突破」的過程。想知道更多有關組織晶片的訊息,可參考美國國家衛生研究所的組織晶片藥物篩選計畫。

參考資料:

[1]多重器官系統:癌症治療的效果與脫靶毒性的評估。McAleer CW, Long CJ, Elbrecht D, Sasserath T, Bridges LR, Rumsey JW, Martin C, Schnepper M, Wang Y, Schuler F, Roth AB, Funk C, Shuler ML, Hickman JJ. 所著。《科學轉化醫學期刊》2019年6月19日,11卷,第497期。

 [2] 研究性藥物的臨床發展成功率。Hay M, Thomas DW, Craighead JL, Economides C, Rosenthal J. 所著。《自然生物科技》2014年1月,32卷,第1期,頁40-51。




作者》 台灣動物平權促進會TAEA

台灣動物平權促進會—Taiwan Animal Equality Association(TAEA)—動物權(Animal Rights)動物福利(Animal Welfare)非以營利為目的之社會團體。

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