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美國領軍 器官功能晶片發展神速
塑造擬真環境 更精準呈現藥物反應

半導體產業的晶片概念開始應用到生技醫療領域,其中「器官晶片」將逐漸取代動物實驗,長遠目標是針對不同病患量身訂製藥物,達到精準醫療目的。

2017/03/20 出處:財訊雙週刊 第 524 期 作者:蘇柏勳

半導體產業的系統單晶片(System on Chip, SoC),是把多樣功能整合成在一顆晶片裡,再透過矽來移動電子,進而使系統運作,讓電子產品發揮功能。然這裡所指的「器官晶片」(Organs-on-chips),則是將微量的化學物質或微生物送到模仿完整器官(如肺臟、心臟等)結構和功能的單元晶片,模擬出相同化學物質放到真實人類器官中,所可能會發生的狀況。

換句話說,器官晶片不是創造人類整個完整器官,而是模擬人體器官中的最小功能單元,實現藥物或化學物質在非活體環境(in vitro)中,研究活體環境(in vivo)的交互反應,用來了解、評估疾病、藥物、化學物質與食物等對人類影響的3D晶片裝置。

2015年英國年度設計獎,不是頒給谷歌的無人車,也不是清除海洋塑膠計畫,而是頒給美國哈佛大學韋斯生物啟發工程研究所的器官晶片;這是英國年度設計獎,首度由醫學領域獲得大獎。現代美術館(MoMA)也將器官晶片納為永久收藏。

動物實驗成效未必適用人體

以韋斯生物得獎作品為例,就是模擬人類肺臟的器官晶片。韋斯生物將半導體晶片的概念導入,將活的人體器官細胞植入晶片,使晶片可以模擬細胞在人體內的環境。其晶片的主要架構,是在槽道中設置三個並列的流體通道,兩邊的通道是真空通道,中間的通道則是植入細胞的通道。

為了模擬肺臟構造,韋斯生物在中間通道的正中間放置一層布滿小孔的生物薄膜,並在薄膜上鋪滿一層肺泡細胞,薄膜的另一面鋪滿血管細胞。因此,薄膜上面可以流通空氣,下面可以流通血液。

另外,兩側的真空通道也設計成可收縮的結構,可以同時帶動中間的通道一同收縮,於是肺泡細胞也跟著收縮,再將空氣與血液導入晶片,就可模擬正常肺臟運行環境。同樣地,如果要模擬肺臟感染或對特殊物質的反應,只要將病毒、養分、細胞或相關物質導入器官晶片,即可透過顯微鏡「看到」接下來可能發生的變化。

德國康斯坦茨大學毒理學教授Marcel Leist曾說:「人類絕對不等於70公斤的老鼠。」一語道出傳統臨床實驗中的關鍵問題。

因為人類與動物的生理結構不同,為了實驗需求,常將人類獨有的癌細胞或其他病原,移植到老鼠、兔子或是猴子身上;問題是,即使在動物實驗階段結果良好,也無法保證轉換到人類身上時,同樣安全或同樣有效果。據統計,至少30%藥物分子沒有機會上市,就是因為毒性或人體肝臟無法代謝;這也是很多藥無法通過臨床一期(確認毒性)或臨床二期(確定劑量及效性)的原因。

逾九成藥品在臨床實驗失敗

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