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模擬心臟晶片 進行實驗更精準

2017-06-18 02:20經濟日報 林倞、專利布局情報分析團隊

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。

目前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,並受各國法規規範。

隨著動物保護、尊重生命意識的抬頭,將人類不想經歷的試驗過程加諸在動物身上,爭議性愈來愈被放大檢視。

另外,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20億美元。器官晶片將會是這些問題的解答。

藥物評估看的不只是整體變化或對單一病症療效,其對各種器官的影響常需要被檢視;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、直接的放入肝臟晶片,觀察該藥物的肝臟毒性。

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,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。

數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、養分等物質的交換機制,甚至能模擬發炎反應。

但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,耗費的人力、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,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。

這些成果對動物保護、新藥生命周期、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布局研究團隊研究員)

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