MIT用“芯片器官”替“漸凍人”試新藥

一場風(fēng)靡全球的“冰桶挑戰(zhàn)”曾將“漸凍癥”（肌萎縮側(cè)索硬化，ALS）帶入眾人的視線。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞逐漸失去對肌肉的控制，患者全身肌肉會逐漸萎縮，吞咽困難，最后呼吸衰竭。

“漸凍人”發(fā)病后平均壽命僅有 2 到 4 年，像霍金那樣長期與病魔搏斗的患者可謂奇跡。不幸的是，人類迄今未找到 ALS 的病因，遑論給出對癥之藥。

美國麻省理工學(xué)院（MIT）的一個團隊 10 月 11 日在《科學(xué)進展》上報告了一種在微流控芯片上制作神經(jīng)和肌肉組織的 3D 模型的方法。借助這種“芯片器官”，他們觀察到健康神經(jīng)元與“漸凍”神經(jīng)元的驚人差異，并試驗了兩款仍在臨床測試階段的新藥。

僅有少部分“漸凍癥”與遺傳缺陷相關(guān)，而 90% 的散發(fā)性案例發(fā)病原因仍是未解之謎。正因如此，極少數(shù)獲美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)上市的“抗凍”藥品都并非完全對癥。科學(xué)家們繼續(xù)突破動物模型的限制，找到分析病理和臨床試驗的更優(yōu)方法。

其中，運動神經(jīng)元和肌肉細(xì)胞之間的連接處，即肌肉神經(jīng)接頭，是模擬“漸凍癥”的關(guān)鍵。數(shù)十年來，科學(xué)家們受限于 2D 模型結(jié)構(gòu)。

2016 年，MIT 機械和生物工程教授羅杰·卡姆（Roger Kamm）團隊用微流控芯片技術(shù)首次做出了鼠類肌肉神經(jīng)接頭的 3D 模型。這是一種在微米尺度的芯片中模擬人體環(huán)境，集成基本操作單元，自動完成分析全過程的技術(shù)。

他們將神經(jīng)元和肌肉纖維分置于芯片上相鄰的兩個隔室內(nèi)。神經(jīng)元會逐漸延展出常常的神經(jīng)突，最終與繞在兩個柔性柱子上的肌肉纖維連接。

這些神經(jīng)元用光遺傳技術(shù)編輯過，能在光照控制下刺激肌肉收縮。通過觀察兩個柔性柱子的位移情況，研究人員就能測量肌肉收縮的力度。

在此次發(fā)表的成果中，卡姆團隊用人類神經(jīng)元與肌肉細(xì)胞進行代替。這些神經(jīng)元一部分由健康人群的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSCs）分化而來，一部分由散發(fā)性 ALS 患者的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞分化而來。

實驗結(jié)果顯示，“漸凍癥”組的神經(jīng)元生長神經(jīng)突的速度更慢，也無法與肌肉纖維建立強有力的連接。此外，神經(jīng)元退化和肌肉細(xì)胞死亡的數(shù)量也更多。

“我們可以看到，健康的神經(jīng)元直撲肌小管而去，并激活了它們。然而，ALS 神經(jīng)元似乎無法很好地建立連接。”卡姆說道。

“芯片器官”：綠色部分為漸凍癥患者誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞分化而成的運動神經(jīng)元，紫色部分為肌肉組織。

兩周之后，ALS 運動神經(jīng)元對肌肉建立起的控制力，僅有健康神經(jīng)元的四分之一。

展示“芯片器官”能有效模擬“漸凍癥”之后，卡姆團隊開始探索這個模型的試藥能力。

他們選擇了兩款仍處于臨床測試階段的新藥雷帕霉素（Rapaycin）和伯舒替尼（Bosutinib）。在“芯片器官”上模擬的結(jié)果顯示，兩款藥物都能幫助肌肉在運動神經(jīng)元的刺激下收縮，并提高神經(jīng)元的存活率。更重要的是，兩款藥物各自穿透血-腦屏障（毛細(xì)血管壁與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞形成的血漿與腦細(xì)胞之間的屏障）的能力有限，但同時施用時均能有效地穿透屏障。

目前，卡姆團隊正在與當(dāng)?shù)氐纳锛夹g(shù)企業(yè)合作，計劃收集 1000 名“漸凍人”的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，在“芯片器官”上進行大規(guī)模藥物試驗。

他們也打算對模型本身進行升級，使其一方面能同時容納更多的測樣，另一方面能支持在神經(jīng)系統(tǒng)中的其他細(xì)胞類型，比如雪旺細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞。