Nature子刊：可體外復制造血微環境的骨髓芯片

　　目前，哈佛大學Wyss生物工程研究所研究人員制備出一種最新器官芯片，可復制骨髓的結構、功能和細胞構成，骨髓是一種復雜的組織，至今僅在活體動物中有過完整的研究。相關研究結果發表在2014年5月4日的《Nature Methods》。該裝置被稱為“骨髓芯片” (bone marrow-on-a-chip)，給科學家們提供了一種急需的新工具，來檢測新藥和毒性藥物對骨髓的影響。

　　具體地說，該裝置可以用來開發安全有效的策略，預防或治療輻射對骨髓的致死效應，而不倚靠動物測試，動物測試是研究人員一直面臨的一個挑戰。這項研究受到美國食品和藥品管理局(FDA)的資助。在最初的檢測中，這種人工制造骨髓，就像人的骨髓一樣，如果不存在能防止輻射中毒的藥物，它會通過萎縮來響應輻射。

　　將來，這種骨髓芯片也可癌癥患者接受有骨髓傷害的治療(如放射治療或高劑量的化療)時，用于臨時保護他們自身的骨髓。

　　Wyss研究所主任、哈佛醫學院和波士頓兒童醫院血管生物學教授、哈佛大學工程與應用科學學院的生物工程教授、本文資深作者Don Ingber指出：“骨髓是一種極為復雜的器官，負責生產我們體內所有類型的血細胞，而我們的骨髓芯片能夠全面概括這種復雜性，在體外保持一種功能的形式。”

　　Ingber帶領這項研究，致力于開發人體器官芯片——模擬活器官生理學的小微流體裝置。到目前為止，Wyss研究所團隊已經制備了肺、心臟、腎臟和腸道的芯片，可復制器官功能的關鍵方面。該技術已經得到國際公認，因為它可能取代新藥和環境毒素的動物測試，作為科學家模仿人類疾病的一種新方法。

　　為了制備器官芯片，以往Wyss研究小組是將一個器官的多種類型細胞，在一種可塑的微流裝置上結合，同時不斷提供營養，清除廢棄物并實施組織在體內會面臨的機械力。但是，骨髓是如此的復雜，因此研究人員需要一種新方法來模擬器官的功能。

　　這種復雜性的產生是因為骨髓與骨骼之間具有一種整體關系。骨髓位于松質骨內部——看起來很結實的一種骨骼類型，具有一種多孔的蜂巢狀內室。在蜂巢中，條件是變化的。一些區域較暖，一些區域較冷，有些區域富含氧氣，其他區域缺乏氧氣，大約十幾種細胞類型都有其自己偏愛的區域。為了增加復雜性，骨髓細胞會通過分泌和探測各種生物分子彼此之間進行交流，這些分子采取行動告訴它們是否存活、死亡、特化或繁殖。

　　研究人員并不是設法生產這樣一種復雜的細胞-細胞結構，而是利用小鼠來完成這一切。波士頓大學博士候選人、Wyss研究所的研究人員、本文共同第一作者Catherine S. Spina稱：“我們設想，何不讓大自然母親來幫助我們制備她已經知道該如何制造的東西呢。”

　　具體而言，Spina和Wyss研究所的博士后Yu-suke Torisawa將干骨粉末裝入一個開放的環形模具，這個模具大約有硬幣電池那么大，然后將其植入動物背部的皮膚下面。

　　八周后，他們手術切除已經在模具中形成的盤狀骨，并用一個特殊的CAT掃描儀進行檢測。掃描顯示出一個蜂窩狀結構，看起來跟骨小梁相同。

　　這種骨髓看起來像真的一樣。當他們對組織進行染色，在顯微鏡下觀察時，發現骨髓里面擠滿了血細胞，就像取自活體小鼠的骨髓一樣。當研究人員通過骨髓細胞的類型和數量，對它們進行分類時，人工骨髓中不同類型血細胞和免疫細胞的混合物，與小鼠股骨中的一樣。

　　為了在活體動物外維持這種人工骨髓，研究人員從小鼠中手術切除了人工制造骨，然后將其放在一個模擬身體組織循環的微流體裝置中。

　　骨髓在該裝置中能夠保持健康狀態長達1周的時間。這段時間足夠讓我們檢測一種新藥的毒性和有效性。

　　該裝置還通過了其藥物檢測能力的初步測試。像活小鼠骨髓一樣，這種人工骨髓也對輻射很敏感，但是FDA批準的保護已輻射患者的藥物，也能保護芯片上的骨髓。

　　在將來，研究人員有可能在免疫缺陷小鼠中培養人類骨髓。本文共同作者James Collins博士稱：“可以將其開發成一種易于使用、患者個性化的篩查系統。”

　　骨髓芯片也可以產生血細胞，這些血細胞可以在一種人工循環系統中循環，供應其他器官芯片網。國防高級研究計劃局(DARPA)正資助Wyss研究所開發10種器官芯片的互聯網絡，以在體外研究復雜的人體生理。