美国加州大学伯克利分校生物工程师正在开发一种先进的“心脏芯片”(heart-on-a-chip)。目前，他们的芯片是一个装在1英寸长的硅树脂上的搏动心肌细胞网，也是一个实际上的人类心脏组织的模型。经心血管药物测试证明，可作为一种药物筛选工具。这种器官芯片代表人们在开发精准、快速药物毒性测试方法上迈出了重要一步。相关论文发表在近日的《科学报告》杂志上。
据每日科学网站近日报道，该项目由生物工程教授凯文·海利负责，旨在开发能模拟人体器官结构与功能的3-D人体组织芯片。“这些芯片最终将取代动物用于安全有效的药物筛选。”海利说。
用动物模型来预测人类对新药的反应，失败率很高，主要原因是物种间的根本生理差异。如人类和其它动物心脏细胞导电的离子通道，在数量和类型上都有很大不同。海利说：“以这些通道为标靶的心血管药物，往往由于这些差异而无效。开发一种药物平均要花费50亿美元，而其中60%用于前期的研发成本。一种良好的人体器官模型将大大节省把一种新药推进市场的成本和时间。”
研究人员设计的“心脏芯片”是一种心脏微生理学系统，其三维结构能和人类心脏的形状结构及结缔组织纤维间隔相媲美。在装载区(loading area)加入不同的心脏细胞(来自人类诱导多能干细胞)，24小时内，它们开始以正常节律跳动，每分钟55次至80次，这是正常成人的心律基准。在血管模型细胞区两边的微流通道，能模拟营养和药物在人体组织的交换。将来，还能监控细胞是怎样清除内部的代谢废物。
“这不是一个简单的细胞培养器，把组织浸入静止的液体中，”论文第一作者、海利实验室博士后阿努拉格·马修说，“我们设计的这一系统是动态的，它实际上复制了我们体内的组织，并曝露在营养和药物中。”
研究人员用4种已知的心血管药物：异丙肾上腺素、E-4031、维拉帕米和美托洛尔对该系统进行了测试，根据心律变化来检测它们对药物的反应。比如异丙肾上腺素是治疗心动过缓的，半小时后能使心律从每分钟55次增加到124次。
研究人员指出，人工心脏组织的活性和功能可以保持几周，在这段时间里，可用它测试多种药物。这种心脏芯片调整后还能模拟人类遗传疾病、筛查个人对药物的反应。他们还在研究该系统能否模拟多器官的相互作用。
“如果把心脏和肝脏组织连接起来，我们就能确定是否一种药物一开始在心脏效果很好，却在经肝脏代谢以后变得有毒。”海利说。