前沿进展:通过微生理方法解决药物研发的评估困难—第四届大西洋毒理学研讨会报告(四)

前沿进展:通过微生理方法解决药物研发的评估困难

—第四届大西洋毒理学研讨会报告(四)

Biology-inspired Microphysiological System Approaches to Solve the Prediction Dilemma of Substance Testing

t4 Workshop Report-跨大西洋毒理学智库的报告,该智库由Doerenkamp Zbinden基金会赞助,由巴尔的摩、康斯坦茨和乌得勒支的毒理学负责人合作完成。本文所表达的观点是作者本人的观点,不一定代表他们的工作机构的观点。

May 15, 2016

翻译和整理:北京佰司特科技有限责任公司

 

最近出现的微生理系统——在体外模仿人体组织、器官和循环生物学的微流控仿生装置——被认为是可能彻底改变如今的药物开发模式。一项近期由美国政府倡议并在欧洲和亚洲开展的研究项目,最近获得了第一个前沿成果:基于微生理系统的人的单器官和多器官工程,在此基础上建立的测试系统有望模拟不同的疾病阶段,并在临床试验之前预测毒性、免疫原性、ADME谱和治疗效果。这一技术将对药物发展的未来产生重大影响。此外,基于微生理系统的分析可能会彻底改变我们当前的模式,对任何新物质(例如用于农业、食品、生态系统或化妆品)的危害进行排序,从而取代目前使用的实验动物模型。来自学术界、工业界和监管机构的36位专家在德国柏林举办了一个集中研讨会(2015年6月),回顾了目前微生理系统的现状,并评估了药物开发周期中广泛的、具有潜力的方法,提出了可行的技术解决方案,建立人的体外生物学的更高水平的技术。此外,会议重点介绍了器官芯片的重要的案例,以及各种国家和国际项目。最后,概述了未来的路线图,允许在全球范围内进行更具预测性和监管认可的物质检测的方法。

4. Initiatives to advance MPS developments into human Body-on-a-chip solutions

将 MPS 开发推进人体片上解决方案的举措

4.1 人体芯片——减少动物试验并为未满足的需求提供解决方案的勇敢承诺

我们报告了在不同行业采用 MPS 模拟人类单器官和多器官模型的现状和潜在方面。这些 MPS 可能有助于减少实验室动物测试方法,因为从进一步测试中早期有效地消除了有毒候选药物和更好地预选有效药物。然而,这些类型的 MPS 无法在整个有机体水平上模拟人类生物学。一些研究小组已经将他们的 MPS 平台推进到在体外模拟功能性类人微型有机体的概念(Hartung 和 Zurlo,2012 年)。这些概念被称为“Human-on-a-chip”或“Body-on-a-chip”方法。团队已经设计并构建了第一个原型(图 16),目前正在进行实验评估。目前人体芯片的开发重点是模拟未怀孕的成年期,因为这个时间跨度与人体安全性和有效性测试具有最大的数值相关性。 据推测,至少以下十个系统的器官应该以生物学方式相互连接,以获得最小的体外人体机体稳态:循环系统、内分泌系统、胃肠道系统、免疫系统、外皮系统、肌肉骨骼系统、神经系统、生殖系统、呼吸系统和泌尿系统。

关于基于芯片的生物体的规模,已经发表了第一种实现人体器官生物学代表性缩小的方法(Marx 等人,2012 年;Moraes 等人,2013 年;Wikswo 等人,2013 年)。在下文中,我们将浏览最突出的计划,所有这些计划都处于非常早期的阶段,旨在提供人体芯片解决方案。本章按照发起的时间顺序重点介绍了这些举措。

4.2 2010 年 3 月——德国多器官芯片 GO-Bio 倡议

2010 年 3 月,在德国联邦教育和研究部的 GO-Bio 资助下启动了德国人芯片计划。该资助授予柏林工业大学的 Uwe Marx 小组,与它的衍生公司 TissUse GmbH、德累斯顿的 Fraunhofer IWS 和斯图加特的 Fraunhofer IGB。该倡议代表了一个更大的 VAMOS 拨款提案的简化双相版本,该提案旨在根据 FP7 健康 2010 计划开发一个人体芯片平台,以替代实验室动物,旨在为欧洲的全身物质测试开发体外解决方案等级; VAMOS 提案没有得到资助。德国人的八年目标GO-Bio 计划是开发一种人体芯片,由相关数量的器官组成,以实现独立的有机体长期稳态。这包括基于芯片的生理器官功能用于人体芯片的功能维护:肠道吸收消化的食物,肝脏为所有器官提供白蛋白并代谢异生素,骨髓实现充足的造血功能微型生物,肺通过红细胞为每个器官提供氧气,肾脏从血浆中排出废物,免疫系统保护健康状况等。最终的人体芯片平台应该是能够模拟临床试验中患者群体的关键病理生理行为。第一个五年投资约 610 万欧元,致力于建立一个 MOC 平台,该平台能够为这种片上人体解决方案托管相关数量的器官; 应用了反映人体类器官结构的器官小型化算法。设计了一个 0.00001 比例的“芯片上的人”,它符合显微镜载玻片的格式(Marx 等人,2012 年)。 2013 年达到了第一个概念验证里程碑,当时可以在双器官版本的 MOC 平台中建立人类 3D 肝脏和皮肤模型等效物和长期重复剂量物质的可重复 28 天共培养(Wagner 等等人,2013 年)。随后,实现了第二个里程碑——人体双器官芯片血管系统(Schimek 等等人,2013 年)。用于长期测试的四器官 ADMET 芯片的结果和进一步的平台改进(Maschmeyer 等人,2015b)已在第 2.3.3 章中进行了描述。这份报告。自2013年双器官芯片上市以来,多项成功的工业可行性研究证明了这一概念的商业可行性,这是第一阶段的最后一个里程碑。因此,第二阶段是 TissUse GmbH 在 GO-Bio 资助 (031B0062) 的支持下开展的一项为期三年的计划,该计划致力于为人体芯片解决方案提供概念验证,该计划于 2015 年启动并继续直到 2018 年。研究人员的“芯片上的人”设计已在视频中进行了说明(http://www.tissuse.com/technology.html) 并且最近已被转化为目前正在评估中的第一个微型生物芯片原型(图 16A)。

4.3 2011 年 10 月——俄罗斯“Homunculus”计划

俄罗斯教育和科学部于 2011 年 10 月启动了一项旨在开发“芯片上器官”和“芯片上人类”技术的计划。德米特里·萨哈罗夫 (Dmitri Sakharov) 和他在科学研究中心的团队

莫斯科的“Bioсlinicum”已获得俄罗斯教育和科学部以及生产和贸易部的平台开发赠款,总额为 570 万欧元。由此产生的“Homunculus”
微生物反应器是一种 MPS 平台,可在体外提供延长的细胞培养活力并模拟生理过程(Senyavina 等人,2013 年)。该系统包括一个控制单元,最多可连接四个微流控芯片。一次性微芯片设计用于在具有自动培养基交换的单个封闭回路中共培养多达六个细胞微模型(Samatov 等人,2015 年)。该系统适用于在标准 transwell 插入物中培养细胞单层,通过在微通道中接种细胞进行芯片血管化,或与任何其他细胞对象一起工作,包括细胞室中的 3D 模型和人体组织样本。该芯片包含一个蠕动微型泵和通过微通道与循环培养基相连的细胞培养孔。微流体通道模仿血管。控制单元维持芯片所需的温度并提供培养基的恒定循环, 允许微型泵阀上的压力及其开关频率发生变化。芯片结构允许集成各种传感器以实时模式监测细胞培养参数:目前,覆盖嵌入式电极在培养过程中提供基于阻抗的屏障模型测量。芯片底部的显微玻璃通过使用荧光活性染料和光纤提供了无创细胞活力观察的机会(Sergachev 等人,2013 年)。微循环将对流传质引入细胞微环境,模拟生理条件,与静态培养中仅限于扩散的传质相比,加速了营养物质和代谢物的传输通量。因此,预测的渗透率值变得更加准确。各种微循环机制促进了类似体内的机械影响,包括剪切应力和间隙压力的生理值。 “Homunculus”装置由Bioclinicum商业化,目前正在通过国家医疗用途注册,以证明药物和化合物在生物利用度、生物转化和药物-药物方面的体外试验
在专门的细胞模型上进行交互。考虑到人体肝脏中产生的代谢物的毒性,“Homunculus”的目的是用于确定化合物对靶细胞的剂量依赖性和综合毒性。该装置应用于环境监测、卫生和卫生监管,可确定危险化学废物及其混合物的危险等级。所设计的六器官芯片原型,如图16B所示,目前正在进行实验评估。

4.4 2012 年 3 月 – 欧洲“芯片上的人体”联盟 (翻译和整理:北京佰司特贸易有限责任公司)

早在 2012 年 3 月,一个由四个欧洲站点组成的所谓“芯片上的身体”联盟(httpp//cordis.europa.eu/project/rcn/104027_en.html)根据第七框架计划 FET 开放项目 (STREP #296257),EC 授予 140 万欧元用于“芯片上的身体”开发,包括瑞士 InSphero AG、瑞士苏黎世联邦理工学院、比利时鲁汶大学。德国多特蒙德技术大学和英国阿斯利康制药公司。 “芯片上的身体”联盟的指令是创建一个全面的下一代体外药物测试设备,该设备将多器官组织模型相互连接,以识别毒性和/或因代谢活动而降低的疗效(http://www.insphero.com/company/eu-project-the-body-on-a-chip).该合作伙伴关系在三年的时间内开发了一种基于板的多组织设备(Kim 等人,2015a;Kim 等人,2015b;Frey 等人,2014),这在第 2.3.3 部分中有所描述。这份报告。

4.5 2012年6月——美国NIH/DARPA/FDA Microphysiological (Tissues-on-a-chip) Systems项目

FDA/国家转化科学推进中心 (NCATS)/DARPA 微生理系统合作始于 2011 年,旨在支持人体微系统或器官“芯片”的开发,以更快、更高效地筛选安全有效的药物比目前的方法。 NCATS 和 DARPA 与 FDA 合作,征求了工业界、政府实验室、学术机构和其他研究组织的建议,以了解如何通过引入工程、生物学和毒理学的最新进展来最好地开发芯片来解决这一复杂问题。 2012 年 6 月启动了一项总额约为 1.4 亿美元的联合 NIH/DARPA/FDA 组织芯片五年计划。波士顿哈佛大学的灵感工程,以及由麻省理工学院(麻省理工学院;麻省理工学院; Cambridge),用于开发人体芯片的工程平台和生物原理验证。每个研究团队都需要开发具有以下特点的人体芯片:(1)可重构平台; (2) 十个以上体外生理系统; (3) 能够监测常驻组织长达 4 周; (四)使用人体细胞; (5) 商业可用性; (6) 包括验证集成平台性能的计划。同时,NCATS 在两个免费领域颁发了多项赠款:(1) 干细胞/祖细胞资助开发干细胞和祖细胞衍生细胞资源,以培育循环系统、内分泌系统、胃肠道系统、免疫系统、外皮系统、肌肉骨骼系统、神经系统(包括眼睛)、生殖系统、呼吸系统和泌尿系统,以及 (2) 综合系统用于药物功效和毒性的微生理系统 资助开发代表人体主要器官/组织的体外微生理系统,这将有助于在临床试验之前评估治疗剂的生物标志物、生物利用度、功效和毒性。在整个五年研究计划中,NCATS、FDA 和 DARPA 每半年与所有研究人员会面一次,以确保进展和协作所有项目。此外,通过该计划,支持开发表征疾病发病机制、细胞多样性、基因组复杂性、性别、微环境和人体器官系统功能输出的良好表征的多细胞模型。高级多细胞人体生理学模型的基本特征应包括以下所有特征:

•    代表目标组织特征的多细胞结构;

•    正常人体生理的功能表示;

•    多细胞微环境的 3D 培养建模;

•    在生理条件下可重复且可行的操作可维持长达四个星期的培养;

•    正常和疾病表型的表示;

•    人口多样性的代表;和

•    在患者同意的情况下使用患者来源的细胞系,允许商业化并与学术和行业研究人员广泛共享细胞和细胞衍生物。

设计集成微系统网络的一个关键挑战将是开发和组装 3D 组织模块的能力,这些模块具有生理相关性、可重复性并且与高内涵筛选平台兼容,包括多个分子读数,例如基因表达、蛋白质组学、代谢组学或表观基因组学分析。体外微系统应提供细胞微环境的空间和时间控制,同时能够以非破坏性、真实的方式对系统进行连续监测(传感)、探测(直接细胞内测量)和采样(测试和连续数据收集和分析) -时间和无标记测定。理想情况下,集成平台应支持微系统网络,该网络可以实时和高分辨率炎症反应监测上皮和内皮屏障功能、接触环境和感染因子以及药物的吸收和代谢。

平台挑战包括:1) 易用性和便携性; 2)具有成本效益的设计; 3) 优化每个器官系统中所有可能的生理功能; 4) 用不吸收/结合疏水分子并表现出生理相关刚度的材料代替 PDMS; 5) 在可能的情况下实施 iPS 衍生细胞,以利用人类反应的异质性; 6) 通过自动化提高吞吐量; 7) 创建一套集成的器官系统,具有生理流动、剪切、器官系统之间的最佳代谢比例和时空比例(成年男性 ~ 4.5 升血液;μHuman 为 4.5 μl); 8) 动态机械、化学和电信号的整合包括缺失器官系统的关键贡献; 9) 优化 nl 至 μl 体积的 pH、O2 和葡萄糖的分析化学; 10)实施关键细胞功能的实时生物传感器组合; 11) 实施具有反映生理值的培养基与细胞比率的通用培养基; 12) 实施管道和储层中死体积最小的设计; 13) 集成系统的 MPS 数据库的实施; 14) 开发建模方法以利用丰富的数据集; 15) 疾病模型的整合。

最近提供了美国计划中人体芯片计划的摘要草案(Dance,2015)。

图16:芯片上人体的第一个原型图说明了实验评估中的四个MPS原型,旨在将多器官系统推进到芯片上的微型生物体中。

 

图 16 显示了目前在美国生物实验中评估的基于 MPS 的人体“片上体”原型:其中一个在康奈尔大学(纽约州伊萨卡,图 16C)的 Michael Shuler 实验室,另一个一个在麻省理工学院(马萨诸塞州剑桥市,图 16D)的 Linda Griffith 实验室。
4.6 2015 年 2 月 – 荷兰人体器官和疾病模型技术研究所人体器官和疾病模型技术研究所 (hDMT) 是一家在荷兰发起的竞争前非营利性技术研发机构。该研究所成立于 2015 年 2 月 6 日,将最先进的人类干细胞技术与顶级工程以及来自学术界和工业界的各种其他专业知识相结合,以开发、实施和评估人体器官和疾病芯片模型.这些芯片形式的微型模型非常模拟体内的人体组织和器官。这将主要满足制药公司、临床医生和社会对用于药物开发的代表性人体测试模型系统的需求,并鼓励积极对话以实现这一中心目标。作为一个额外的优势,动物实验的使用可能会减少。 hDMT 研究人员分享他们的知识、专业知识和设施来开发器官芯片模型。还配备了由医学专家组成的临床专家团队。 该联盟旨在进一步扩展他们在 MPS 技术方面的专业知识。目前的合作伙伴是莱顿大学和大学医学中心、鹿特丹的伊拉斯谟医学中心、乌得勒支的 Hubrecht 研究所、三所理工大学(特温特、埃因霍温和代尔夫特)以及两家公司——Genmab 和 Galapagos。学术合作伙伴进行研究,私人合作伙伴提供有关模型验证和应用的输入。 MPS 技术的“可扩展性和可制造性”也将在 hDMT 研究所内得到解决。 hDMT 将评估通过荷兰和国际上的技术和制药公司开发的基于 MPS 的模型。 hDMT 的研究项目属于两个相互加强和互补的研究方向:创新人体器官和疾病模型的开发,以及器官芯片技术平台的开发。 目前有四个主题在健康和疾病方面都被优先考虑:芯片上的血管、芯片上的心脏、芯片上的癌症和芯片上的大脑。
其他模型将在不久的将来添加,包括芯片免疫系统、生活方式模型(皮肤和头发)和环境模型(营养和感染)。所有 hDMT 研究计划都是跨学科计划,每个合作伙伴都以特定的技术重点为正在进行的研究、临床兴趣和专业知识做出贡献。有关 hDMT 研究所的更多信息,请参阅 http:///www.hDMT.technology。

4.7 2016 年 1 月 – EU-ToxRisk – H2020 项目

EU-ToxRisk 是一项由 H2020 支持的欧洲综合计划,旨在开发基于机制的毒性测试和风险评估的新方法,以实现毒理学范式转变,朝着更有效和无动物的化学品安全评估方向发展。自 2016 年 1 月以来,欧盟委员会资助了一个由 39 个伙伴组织(学术界、中小企业、大型工业、合同研究组织和监管机构)组成的国际联盟,致力于整合监管化学品安全评估的新概念、新方法涉及与人类相关的体外非动物方法,例如基于 MPS 的方法和计算机计算技术,以将对毒性的分子机制理解转化为安全测试策略。最终目标是提供可靠的、无动物的化学品危害和风险评估。该计划由莱顿大学(荷兰)毒理学教授 Bob van de Water 协调。该项目将整合细胞生物学、组学技术、系统生物学和计算模型方面的进步,以定义将化学暴露与毒性结果联系起来的复杂事件链。该联盟将为基于新机制的化学安全测试策略提供概念证明,重点关注重复剂量全身毒性以及发育和生殖毒性。重要的, 新的基于机制的测试方法将被集成到符合监管框架并满足工业实施的适用测试电池中。
 

北京佰司特科技有限责任公司 (https://www.best-sciences.com):

类器官串联芯片培养仪-HUMIMIC;灌流式细胞组织类器官代谢分析仪-IMOLA;光片显微镜-LSM-200;

蛋白质稳定性分析仪-PSA-16;单分子质量光度计-TwoMP;超高速视频级原子力显微镜-HS-AFM;

全自动半导体式细胞计数仪-SOL COUNT;农药残留定量检测仪—BST-100;台式原子力显微镜-ACST-AFM;微纳加工点印仪-NLP2000/DPN5000;

 

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创建时间:2023-02-23 20:27