那不勒斯大学的研究人员开发了一种芯片上的肝脏平台，该平台由在微流体装置中动态培养的3D人类类肝细胞工程微组织组成，以更接近地模拟人类在活的有机体内环境。该系统可用于研究化学药品的安全性(肝毒性)和疗效，以及营养药品的潜在保护性能。寻求参与药物开发和筛选的能够提供化合物和数据的工业合作伙伴，以帮助开发和验证该模型，使其成为药物开发的有效工具。还寻求与食品工业建立伙伴关系，以测试营养药品。
在药物开发过程中，候选分子对其吸收、分布、代谢、排泄(ADME)和毒性特性进行了充分的表征。肝脏在药物代谢中起着重要作用，并且容易受到损伤，这使得药物诱导的肝毒性成为临床前和临床药物开发过程中损耗的主要原因。由于药物代谢途径的物种特异性差异，动物模型并不总是能准确预测对人类的影响。在体外人类肝脏模型被用作预测药物诱导的肝毒性和了解人类药物代谢的早期筛选。传统的在体外肝脏模型是基于静态的二维人类肝细胞培养(如原代人类肝细胞或永生细胞系)，然而，这些模型有一些局限性，例如，细胞不能保持分化和组织特异性功能的表达，表达低水平的药物代谢酶，并不能重现复杂的三维组织结构(Ramaiaghari等, 2014)。
人肝片上平台(定义为2D或3D肝细胞或共培养模型，在暴露于动态流的设备中培养)已被开发为更接近模拟在活的有机体内环境。使用二维肝细胞或共培养的片上肝平台无法再现三维生理环境及其动态复杂性(Lee等, 2007;何等, 2013)。其他人在3D支架中培养细胞，然而，细胞生长为支架上的一层，失去了3D培养设置的优势(Esch等, 2015）．其他研究小组使用细胞外基质(如Matrigel)创建了三维人类肝细胞球状体，并在二维静态培养中显示出了增强的生物学特性(Ramaiaghari等, 2014)。然而，球形模型有限制，包括难以控制集料大小，超过200微米的球形体会受到氧限制和核心坏死。此外，虽然球形结构保证了细胞-细胞间的相互作用，但它并不能保留细胞-细胞外基质(ECM)的相互作用，从而导致代谢活性、力学性能和ECM组成不类似于三维组织结构在活的有机体内设置。因此，人的生理更相关、更可靠在体外需要预测肝毒性的模型。
引用:
- 埃施·MB，普罗特·JM，王毅，et al。(2015)。多细胞三维人原代肝细胞培养在流体流动下提高代谢活性．芯片实验室15(10): 2269 - 2277。doi: 10.1039 / C5LC00237K。
- 何凌涛，林荣泽，陈荣杰，et al。(2013)。肝细胞模式实验室芯片:模拟肝小叶组织的形态。芯片实验室13(18): 3578 - 3587。doi: 10.1039 / c3lc50402f。
- 李培军，洪培军，李丽萍(2007)。用于原代肝细胞培养的带有微流体内皮样屏障的人工肝窦。生物技术和生物工程97(5): 1340 - 1346。doi: 10.1002 / bit.21360。
- Ramaiahgari SC, den Braver MW, Herpers B，et al。(2014)。一个3 d在体外用于重复剂量高通量毒性研究的具有改善肝样特性的分化HepG2细胞球形体模型。档案的毒理学88(5): 1083 - 1095。doi: 10.1007 / s00204 - 014 - 1215 - 9。
为了克服静态二维人类肝细胞培养的局限性，开发了一种芯片上的肝脏平台，该平台由在光学可及的小叶状微流体装置中动态培养的3D类人肝细胞工程微组织组成，提供了一个更生理相关的环境(图1和图2)。
图1。肝脏生物芯片的设计。这种生物芯片是用来模拟肝窦的。该电路由三个平行的组织腔(t)和中间通道(f)由小柱隔开。柱子之间的小水平通道模仿正弦曲线。
将HepG2细胞播种于明胶多孔微载体上，在旋瓶生物反应器中培养，制备出肝样三维微组织(HepG2-μTPs 300-400 μm)。HepG2- TPs在旋转瓶生物反应器中培养14天后，表现出稳定的活力、形态(立方体形状和紧密连接)、功能(白蛋白和尿素合成)、代谢活性和Pgp转运蛋白表达。5 - 7天后,HepG2 -µTPs收集从生物反应器培养的微流体装置用来模拟肝血窦下连续流体流动(图1和2)。Microtissues维持稳定的可行性和功能在设备超过4天的文化。在该装置中培养微生物组织不影响其形态、功能和代谢活性，允许系统的全部潜力被开发，即用于高通量毒性研究的适用性。这一初步特征提供了证据，证明该系统提供了一个生理学相关平台来测试新药物化合物的安全性(药物诱导的肝毒性)和有效性。
图2。微流体生物芯片装置的示意图。在旋转烧瓶生物反应器中培养约6天后的三维肝脏微组织装入微流控芯片。然后用注射泵通过中间通道注入培养基，在出口收集上清。在注射泵控制器上设置流体流速为5 μl min－1．
这些三维人肝细胞样微组织的主要特点和优点是更接近模拟在活的有机体内环境是:
- 化合物可以在几天内进行测试。
- 由于设备的几何形状，具有与非实质肝细胞(如Kupffer细胞、星形细胞或窦状内皮细胞)共培养微观组织的潜力。
- 由于芯片在整个培养时间内的光学可及性，易于进行无创形态和功能分析。
- 由于芯片结构，常规药物筛选易于设置和处理，降低了测试分子管理和样品提取过程中的污染风险。
- 成本效益。
该解决方案也可应用于其他行业部门，如化学品部门，根据REACH(化学品注册、评估、授权和限制)法规，大量动物被用于毒理学筛选，并用于食品行业测试营养药品。该平台的应用也可以扩展到其他研究领域，例如，一个集成了肝脏和肠道的芯片平台，用于研究初过代谢。
寻求一个工业伙伴关系来进一步开发/表征和验证该装置，以扩大其用途，超越科学目的，应用于测试新分子、活性原理或药物。因此，来自生物技术和制药行业的合作伙伴能够提供建议、化合物和临床前(如。在体外来自二维肝细胞培养的数据)和临床数据集进行比较，以验证药物安全性(肝毒性)和疗效筛选模型。还寻求与食品公司建立伙伴关系，以提供在系统中进行检测的营养药品。
此外，寻求合作伙伴关系，以帮助进一步开发和验证由hipsc来源的肝细胞(和/或原代人肝细胞)组成的微组织，和/或将人肝细胞样微组织与非实质细胞(如Kupffer细胞、星状细胞、窦状内皮细胞)共培养的设备。
在活的有机体内在啮齿动物和非啮齿动物毒理学研究中，药物诱导肝毒性的评估通常包括评估肝脏组织病理学，以及测量临床化学标记物，如丙氨酸氨基转移酶和天门冬氨酸氨基转移酶。这些研究使用了大量的动物，低通量、昂贵、耗时、侵入性，而且由于药物代谢途径的物种特异性差异，并不总是能预测对人类的影响。一项啮齿动物(大鼠)重复剂量GLP毒理学研究每次使用最多200只动物(例如，三个剂量组和一个对照组(每个剂量组每性别最多15只动物)，加上恢复期动物(对照组和高剂量组每性别最多5只动物)和毒性动力学卫星动物(麻雀)等, 2011)。如果在这些研究中发现了肝缺氧信号，那么这将引发后续研究，以表征肝缺氧效应并确定可能的机制，进一步增加使用的动物数量。
该解决方案有可能通过提供筛选来改善具有不良特性的药物的早期识别，防止这些药物进入动物研究，从而减少动物使用。从长远来看，随着产生更多的数据，该系统得到进一步的开发和验证，并显示出对人类的预测效果，该解决方案可能会提供绝对替代动物模型。
此外，在其他工业部门(如化工和食品工业)的应用以及该系统在其他研究领域的未来发展将进一步增加3Rs的潜在影响。
引用:
- 斯派洛，罗宾逊，波兰姆，et al。(2011)。在药品监管一般毒理学中尽量减少动物使用的机会:跨公司审查。管制毒理学和药理学61(2): 222 - 229。doi: 10.1016 / j.yrtph.2011.08.001。
