用于疾病建模和药物测试的芯片上闪烁的眼睛
每天盯着电脑屏幕超过8小时的人可能会注意到他们的眼睛变得疲劳或干燥，如果这些情况足够严重，他们最终可能会患上干眼病(DED)。DED是一种常见疾病，fda批准的药物选择少得惊人，部分原因是难以在人眼中建模复杂的病理生理学。这就是芯片上闪烁的眼睛:这是宾夕法尼亚大学工程学院的研究人员在实验室里建造的人造人眼复制品。
这种芯片上的眼睛，配有眨眼的眼皮，正在帮助科学家和科学家药物以提高他们对DED的理解和治疗，以及其他潜在的用途。这项研究发表在自然医学，概述了芯片上的眼睛作为器官替代品的准确性，并展示了其作为药物测试平台的实用性。
该研究由生物工程系副教授Dan Huh和研究生Jeongyun Seo领导。
他们与宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院眼科学系的Vivian Lee、Vatinee Bunya和Mina Massaro-Giordano合作，以及宾夕法尼亚大学工程学院材料科学与工程系的Eduardo D. Glandt校长特聘教授Vivek Shenoy合作。其他合作者包括Woo Byun, Andrei Georgescu和Yoon-suk Yi, Huh的实验室成员，以及Farid Alisafaei, Shenoy的实验室成员。
Huh的实验室专门制造芯片上的器官，提供微工程的体外平台来模仿体内的器官，包括今年5月发射到太空的肺和骨髓代理，以研究宇航员的疾病。该实验室花了数年时间对芯片上的眼睛进行微调，这为他们赢得了2018年Lush奖，因为他们在药物、化学品和化妆品的无动物测试方面的承诺。
在这项研究中，Huh和Seo专注于设计一个可以模仿健康眼睛和DED眼睛的眼睛模型，使他们能够在没有人体伤害风险的情况下测试一种实验性药物。
为了构建芯片上的眼睛，Huh的团队从一个用3d打印技术设计的多孔支架开始，这个支架大约有一角硬币大小，隐形眼镜的形状，他们在上面培养人眼细胞。角膜细胞生长在被染成黄色的支架内圈上，结膜细胞生长在覆盖白色部分的特化组织结膜上人类的眼睛，生长在周围的红圈上。一块明胶就像眼皮一样，以与人类眨眼相同的速度机械地在眼睛上滑动。美联储泪腺眼睑被染成蓝色后，会将人造泪液扩散到眼睛上，形成所谓的泪液膜。
“从工程的角度来看，我们发现模拟人类眨眼的动态环境的可能性是很有趣的。眨眼有助于泪液扩散，并形成一层薄膜，保持眼表水分。它还有助于形成一个平滑的折射表面，以促进光的传输。这是眼表面的一个关键特征，我们想在我们的设备中概括，”Huh说。
对于患有DED的人来说，泪膜蒸发的速度比补充的速度快，导致炎症和刺激。DED的一个常见原因是过度使用电脑时眨眼减少，但人们也可能因为其他原因患上这种疾病。DED影响着世界上约14%的人口，但开发新的治疗方法非常困难，自2010年以来，已有200个临床药物试验失败，目前只有两种fda批准的治疗药物。
Huh的实验室从最初的概念开始就一直在考虑芯片上器官的药物测试潜力，并且，由于其表面影响区域，DED似乎是开始测试他们的眼睛模型的完美地方。但在开始药物试验之前，该团队必须确保他们的模型能够真正模仿DED的情况。
“最初，我们认为建模DED就像保持文化环境干燥一样简单。但事实证明，这是一种非常复杂的多因素疾病，有多种亚型，”Huh说。“然而，无论哪种类型，有两个核心机制是DED的发展和进展的基础。首先，当水分从泪膜中蒸发时，盐浓度急剧增加，导致眼泪高渗。其次，随着泪液蒸发的增加，泪液膜变薄的速度更快，经常会过早破裂，这被称为泪液膜不稳定。问题是:我们的模型能够模拟干眼症的这些核心机制吗?”
经过多次试验，答案是肯定的。该团队通过将设备的人工眨眼减半，并仔细创建一个模拟现实条件下湿度的封闭环境，在芯片上的眼睛中诱发了DED条件。当与健康和患有DED的真实人眼进行测试时，相应的芯片上的眼睛模型在多项临床测量中证明了它们与实际器官的相似性。芯片上的眼睛在Schirmer条带中模拟了真实眼睛的表现，用于测试液体的产生;在渗透压测试中，它观察眼泪膜的含盐量;在角膜造影术测试中，可以评估泪膜破裂所需的时间。
在确认了芯片上的眼睛能够在正常和DED诱导环境下反映人眼的表现后，Huh的团队转向制药行业，寻找一种有前途的DED候选药物来测试他们的模型。他们发现了一种基于润滑素的即将上市的药物，这种蛋白质主要存在于保护关节的润滑液中。
“当人们想到DED时，他们通常将其视为由炎症引起的慢性疾病，”Huh说，“但现在有越来越多的证据表明，机械力对于理解DED的病理生理学非常重要。随着泪膜变得越来越薄和不稳定，眼睑和眼表之间的摩擦增加，这可能会损害上皮表面，并引发不良的生物反应，如炎症。基于这些观察，人们对开发眼润滑剂作为干眼症的局部治疗产生了兴趣。在我们的研究中，我们使用了一种基于润滑剂的药物，目前正在进行临床试验。当我们在我们的设备中测试这种药物时，我们能够证明它具有降低摩擦的作用，但更重要的是，通过这个模型，我们发现了它以前未知的抑制眼表炎症的能力。”
通过比较健康眼睛、DED眼睛和DED加润滑剂的眼睛模型的测试结果，Huh和Seo能够进一步加深科学家对润滑剂如何起作用的理解，并展示这种药物作为DED治疗的前景。
同样，在芯片上制造眨眼眼睛的过程推动了科学家对眼睛本身的理解，为力学在生物学中的作用提供了见解。与工程机械生物学中心主任Shenoy合作，该团队的注意力被吸引到物理眨眼动作如何影响他们培养的细胞，从而在支架上设计出一只人工眼睛。
“最初，角膜细胞开始是单层的，但当这些细胞在空气-液体界面培养时，由于分化，它们变得分层并形成多层。它们还形成紧密的细胞-细胞连接，并在分化过程中表达一组标记物，”Huh说。“有趣的是，我们发现，眨眼产生的机械力实际上有助于细胞更快速、更有效地分化。当角膜细胞在有眨眼存在的空气中培养时，与不眨眼的静态模型相比，细胞分化的速度和程度显著增加。基于这一结果，我们推测眨眼诱导的生理力量可能有助于角膜的分化和维持。”
换句话说，当人工眼皮在支架上眨眼时，在科学家支架上生长的人类角膜细胞在特定的工作上更快地变得专业化和高效，这表明眨眼等机械力对细胞的功能起着重要作用。这些概念上的进步，再加上药物发现的应用，突出了芯片上的工程器官对科学的贡献的多方面价值。
Huh和Seo的芯片眼还只是刚刚涉足药物测试领域，但这第一步是一场胜利，代表着他们多年来不断改进人工眼的工作，以达到这种精度和实用性的水平。
“虽然我们刚刚展示了概念验证，”Seo说，“我希望我们的芯片上的眼睛平台能进一步发展，除了药物筛选之外，还能用于各种应用，比如隐形眼镜测试和未来的眼科手术。”
Huh说:“我们特别自豪的是，我们的工作提供了一个伟大而罕见的跨学科努力的例子，包括从设计和制造新型生物工程系统到复杂人类疾病的体外建模再到药物测试的广泛研究活动。”“我认为这是我们研究的独特之处，也是芯片器官技术创新的代表。”
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