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模擬心臟晶片 進行實驗更精準

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林倞、專利佈局情報分析團隊 發表於 2017年6月19日

器官晶片是一種記憶晶片模擬人體的生理系統。依不同目的,器官晶片上面具有以人類各種器官細胞排列形成的微小流道,科學家透過在這些微小流道上外加化學物質或施加外力,成功模擬心臟跳動、腸道蠕動等;器官晶片對於在活體外進行細胞活動、體液流體力學、生理反應等的研究,具有極大幫助。

時至今日,要取得新藥在人體上產生的影響或療效證據前,都必須經過動物試驗階段,並受各國法規之規範。隨著動物保護、尊重生命意識的抬頭,把人類不想經歷的試驗過程加諸在動物身上,其道德性爭議越來越被放大檢視。另一方面,人類與其他動物既為不同物種,動物實驗結果無法適用人類的情況時而發生。即使順利走完新藥開發的每一關卡,其成本往往超過二十億美金。器官晶片會是上述問題的解答。

藥物的評估看的不只是整體的變化或對單一病症的療效,其對各種器官的影響常需一一被檢視;不論是動物試驗或人體試驗,對各種器官進行生理數據分析、病理切片等細部觀察,都是十分浩大的工程。器官晶片的發展將使這類針對特定器官的檢測大幅簡化,把許多本來要在手術室裡才能完成的任務,變成實驗桌上的簡易程序;例如一個藥物在心臟晶片上確認具有心律控制療效後,可以快速、直接地放入肝臟晶片,觀察該藥物的肝臟毒性。

而對病患的侵入性檢查而言,若要即時掌握病情的演變,必須重複對病患進行侵入性檢查,無法避免地造成病患的不適;若能以器官晶片盡可能同步重現病灶狀況,則可減少侵入性檢查次數,減輕病患身體負擔,同時降低檢查成本。

幾年前科學家開始發現器官晶片上生長的細胞可以重現人體內細胞的組織連結形式,成功製造的微型存活人體器官包括皮膚、骨髓、肺臟、腎臟、腸子等。人工安排的晶片結構,亦能模擬出血管壁內外兩側藥物、養份等物質的交換機制,甚至能模擬發炎反應。而要大量生產或是使用器官晶片,還是面臨極大挑戰。傳統器官晶片必須在潔淨室中,利用繁複的微影技術才能製造;要從晶片獲取數據,則需借助顯微鏡和高速攝影機,所耗費人力、物力成本相當可觀。

 哈佛大學的科學家在2016年底宣布,成功以全自動3D列印技術,利用多種細胞調製而成的墨水,在微米級的解析度下,印出可以用來進行藥物測試的心臟晶片。

不同於微影技術,3D列印具有快速客製化的優點,列印複雜材料只需更換墨水配方即可;科學家利用這個特性,將微型感測器、心臟細胞交替列印在同一晶片上,一併解決上述製程繁複、生理數據量測不易的問題。透過3D列印技術,模擬各式各樣疾病狀況的心臟晶片,可以快速地依序製造在同一晶片上,這一方面可以讓不同的實驗參數,在相同晶片的控制條件下,被有意義的比較,同時也能滿足科學家各種時程的實驗需求。將來甚至能夠以個別病患的細胞製造晶片,完全複製特定疾病發生的生理條件,達到加速療程的效果。未來,具有肺、胃等所有器官功能的微型化複製體都將路續透過3D列印技術做成晶片;這樣的成果對動物保護、新藥生命週期、醫療成本、精準醫療等各方面的正向影響,正逐漸發酵。

(作者是科技政策研究與資訊中心專利佈局研究團隊研究員)
本文刊登於經濟日報2017/06/19)

 
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