Chips mit „Organen“ sind da! Es ist auch der "universelle Drogentester" der Zukunft

Vor kurzem wurde der von Gu Zhongzes Team an der Southeast University entwickelte Chip für künstliche Blutgefäße bei den experimentellen Operationen der Shenzhou 15-Astronauten im Orbit eingesetzt. Dies ist nicht nur das erste Organchip-Projekt, das mein Land im Orbit durchführt, sondern auch die erste Forschung an einem künstlichen Gefäßgewebechip weltweit.

In diesem handflächengroßen Stück Polymermaterial verwenden wir 3D-Druck, Nanoverarbeitung und andere Technologien, um ein „Haus“ zu bauen, das die Umgebung des menschlichen Körpers simuliert, injizieren menschliche Zellen oder Stammzellen hinein und versorgen das „Haus“ dann mit Sauerstoff und Kulturmedium. Nach zwei oder drei Wochen können Sie im „Haus“ ein schlagendes Herz, eine Stoffwechselleber und atmende Lungen haben, die menschliche Organe und Gewebe simulieren …

Der von Gu Zhongzes Team entwickelte Organchip. Bildquelle: Science and Technology Daily

Tatsächlich geht die Bedeutung von Organchips darüber hinaus. Sie „nähren“ nicht nur menschliches Zellgewebe, sondern sind auch der Hoffnungsträger der Menschheit hinsichtlich der Arzneimittelentwicklung und des Strebens nach Leben und Gesundheit.

01 Der Ursprung der Organchips: Unverzichtbare Tierversuche

Ein Mensch nimmt mehr oder weniger sein ganzes Leben lang Medikamente ein, und die Entwicklung eines Medikaments erfordert mehrere Schritte, darunter die Identifizierung von Medikamentenkandidaten, Forschung an Tiermodellen, klinische Versuche am Menschen und die Marktzulassung, was zeitaufwändig und kostspielig ist. Die Forschung und Entwicklung eines Medikaments dauert oft mehr als zehn Jahre und verursacht hohe Kosten.

Wenn Sie gerne Kleintiere halten, dann müssen Sie wissen, dass Sie ihnen zum Schutz ihrer Gesundheit und Vitalität möglichst ihren ursprünglichen Lebensraum, also ihre Lebensumgebung in der Natur, wiederherstellen müssen. Dasselbe gilt für Zellen.

Mit herkömmlichen Kulturmedien ist es schwierig, realistische Bedingungen für das Überleben von Zellen zu schaffen, und es ist daher unmöglich, die Auswirkungen von Medikamenten auf Zellen zu untersuchen. Daher richteten Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf Tiere wie Mäuse, Kaninchen und Affen und versuchten, deren Organstrukturen, die denen des Menschen ähneln, für pharmakologische Experimente zu nutzen.

Die Entwicklung des Prototyps von Organchips begann im frühen 21. Jahrhundert. Im Jahr 2011 gründeten die Vereinigten Staaten die Microphysiology Systems Alliance und begannen mit der Forschung und Entwicklung von Organchips, in der Hoffnung, diese als Ersatz für Tierversuche bei Arzneimitteltests einsetzen zu können.

02 Organchips und ihre wesentlichen Eigenschaften

Organ-on-a-Chip Organchips bestehen üblicherweise aus bionischen Materialien, mit Mikrofluid-Chips als Kern. Sie konstruieren in vitro bionische Systeme, die die Mikroumgebungsfaktoren von Organen in vivo abdecken, wie etwa eine Vielzahl lebender Zellen, Gewebeschnittstellen, Bioflüssigkeiten und mechanische Kraftstimulation sowie sogar pathologische Umgebungen.

Das Aussehen von Organchips ähnelt nicht Organen, aber die Zelltypen und Strukturen in den Chips können die reale Organumgebung simulieren. Wie etwa Lungenorgan-Chips, Herz-Chips, Gehirn-Chips, Leber-Chips und sogar Multiorgan-Chips, die mehrere Chipmodule kombinieren. Diese unterschiedlichen Organchips weisen im Wesentlichen folgende drei Eigenschaften auf:

Erstens hat es eine 3D-Anordnungsstruktur

Zweitens: Es gibt mehrere Zelltypen, um ein besseres physiologisches Gleichgewicht zwischen den Zellen widerzuspiegeln

Drittens: Nutzen Sie die mechanische Kraft, die mit dem Chipmodell verbunden ist

03 Mikrofluidik

Die in Organchips verwendete Technologie heißt Mikrofluidik. Mikrofluidik ist eine Technologie, mit der sich kleinste Flüssigkeitsmengen in integrierten Mikrokanälen präzise manipulieren lassen. Funktionsmaterialien unterschiedlicher Konfiguration können je nach Bedarf flexibel hergestellt werden.

Da der menschliche Körper über viele mikroskopische Strukturen wie Blutgefäße und Muskelfasern verfügt, entsprechen die Größen denen der Mikrofluidtechnologie. Daher weist die Mikrofluidik ein gutes Anwendungspotenzial bei der Herstellung bionischer Materialien auf.

04 Vorteile von Organchips gegenüber Tierversuchen

Im Vergleich zu Tierversuchen weisen Organchips offensichtliche Merkmale auf:

Erstens dauert es normalerweise drei bis sechs Monate oder sogar mehrere Jahre, um ein Tierkrankheitsmodell zu erstellen, aber es dauert normalerweise nur zwei bis drei Wochen, um einen Organchip herzustellen.

Zweitens kann ein Modelltier im Allgemeinen nur für einen Arzneimitteltest verwendet werden, während ein Organchip Hunderte oder Tausende unabhängiger Testeinheiten enthalten kann, die für Mehrkonzentrationstests mehrerer oder Dutzender Arzneimittel verwendet werden können.

Darüber hinaus werden Organchips aus menschlichem Zellgewebe hergestellt und weisen eine hohe Übereinstimmung mit der Reaktion des menschlichen Körpers auf Medikamente und Krankheitserreger auf.

Aufgrund ihres menschlichen Ursprungs, der geringen Kosten und des kurzen Kulturzyklus können Organchips als „Ersatz“ für menschliches Gewebe bei Arzneimittelexperimenten dienen, wodurch der Arzneimittelentwicklungsprozess beschleunigt und Lösungen für die Präzisionsmedizin bereitgestellt werden.

Darüber hinaus können Organchips nicht nur zur Bewertung der Wirksamkeit entsprechender Medikamente auf den menschlichen Körper verwendet werden, sondern auch zur Bewertung toxischer und schädlicher Substanzen in der Umwelt.

Umfassende Quellen: Science and Technology Daily, EFL, China Mechanical Engineering Society