眼皮一眨不眨的芯片眼帮助科学家和药物开发人员提高对干眼症的认识和治疗。这项发表在《Nature Medicine》上的研究，定义了芯片作为器官替代品的准确性，并论证了sage作为药物测试仪器的作用。

        这项研究由生物工程系副教授Dan Huh和研究生Seo Jeongyun领导。

        他们与宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院眼科的Vivian Lee、Vatinee Bunya和Mina Massaro-Giordano合作，还与宾夕法尼亚大学材料科学与工程系Eduardo D. Glandt院长的杰出教授Vivek Shenoy合作。其他合作者包括胡byun, Andrei Georgescu和Yoon-suk Yi, Huh实验室的成员，以及Farid Alisafaei, Shenoy实验室的成员。

        Huh的实验室专注于制造芯片上的器官，提供微工程的体外平台来模仿体内的器官，包括今年5月发射到太空研究宇航员疾病的肺和骨髓替代物。多年来，该实验室一直在对芯片上的eye-on-a-chip进行微调，该芯片因其在药物、化学药品和化妆品的无动物检测方面的承诺，赢得了2018年的Lush大奖。

        在这项研究中，Huh和Seo专注于设计一种眼睛模型，可以模仿健康的眼睛和患有ed的眼睛，让他们在没有人类危险的情况下测试一种实验性药物。

        为了在芯片上构建眼睛，Huh的团队首先用3D打印技术制造了一个多孔支架，大约10美分大小，隐形眼镜的形状，他们在上面培养人类眼睛细胞。角膜细胞生长在被染成黄色的支架内环上，结膜细胞(覆盖人眼白色部分的特殊组织)生长在周围的红色圆圈上。

        一块明胶就像眼睑一样，以人类眨眼的速度机械地滑过眼睛。眼睑由染成蓝色的泪腺供血，将人工泪液分泌到眼睛上，形成所谓的泪膜。

        “从工程学的角度来看，我们发现模仿人类眨眼的动态环境的可能性很有趣。眨眼的作用是传播眼泪，并产生一层薄膜，使眼睛表面保持水分。它也有助于形成一个光传输的光滑折射表面。这是我们想要在我们的设备中再现的眼球表面的一个关键特征，”Huh说。

        对于患有ed的人来说，泪膜蒸发的速度比补充的速度要快，从而导致炎症和刺激。ed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。全球约14%的人口患有ed，但开发新的治疗方法却异常困难。自2010年以来，已有200例临床药物试验失败，目前只有两种药物获得了fda的批准用于治疗。

        Huh的实验室从他们最初的概念开始就在考虑芯片上器官的药物测试潜力，并且，由于其表面水平的影响区域，ed似乎是开始测试他们眼睛模型的完美地方。但在开始药物试验之前，研究小组必须确保他们的模型能够真正模拟出患有ed的情况。

        “一开始，我们认为造型造型就像保持文化环境干燥一样简单。但事实证明，这是一种极其复杂的多因素疾病，有多种亚型，”Huh说。“然而，无论哪种类型，有两种核心机制是ed发展和进步的基础。首先，当水从泪膜中蒸发时，盐的浓度急剧增加，导致眼泪的高渗透压。其次，随着泪液蒸发的增加，泪膜变薄的速度更快，往往过早地破裂，这被称为泪膜不稳定性。问题是:我们的模型是否能够模拟出干眼的这些核心机制?”

        经过多次试验，答案是肯定的。研究小组通过将设备的人工眨眼对半切开，小心翼翼地创造出一个模拟真实环境湿度的封闭环境，从而唤起了芯片上眼睛的状态。当用真实的人类眼睛进行测试时，无论是健康的还是有缺陷的，相应的眼芯片模型在多个临床测试中证明了它们与实际器官的相似性。芯片上的眼睛模拟了实际眼睛在Schirmer条带中的表现，该条带用于测试液体生产;在渗透压测试中，观察泪膜盐的含量;在角膜摄影测试中，评估泪膜破裂所需的时间。

        Huh的团队已经证实了他们的芯片上的眼睛能够在正常和诱导条件下反映人眼的表现，于是他们转向制药行业，希望能找到一种有前景的药物来测试他们的模型。他们找到了一种即将上市的基于润滑剂的药物，这种蛋白质主要存在于保护关节的润滑液中。

        “当人们想到创伤性肾病时，他们通常把它看作是由炎症引起的慢性疾病，”Huh说，“但是现在有越来越多的证据表明，机械力对理解创伤性肾病的病理生理学很重要。当泪膜变得更薄、更不稳定时，眼睑和眼表之间的摩擦就会增加，这会损害上皮表面，还会引发炎症等不良的生物反应。基于这些观察结果，开发眼用润滑剂作为干眼症的局部治疗方法正受到越来越多的关注。在我们的研究中，我们使用了一种基于润滑油的药物，目前正在进行临床试验。当我们在设备中测试这种药物时，我们能够证明其降低摩擦的效果，但更重要的是，使用这个模型，我们发现了它之前未知的抑制眼部表面炎症的能力。”

        通过比较健康眼睛、戴眼罩的眼睛和戴眼罩加润滑油的眼睛模型的测试结果，Huh和Seo能够进一步加深科学家对戴眼罩如何起作用的理解，并显示出这种药物作为戴眼罩治疗的前景。

        类似地，在芯片上制造一个眨眼的眼睛的过程，推动了科学家对眼睛本身的理解，为了解机械在生物学中的作用提供了洞见。在与工程机械生物学中心主任谢诺伊的合作下，该团队的注意力被吸引到物理眨眼行为是如何影响他们培养的细胞，这些细胞是为了在支架上制造一只人工眼睛。

        “最初，角膜细胞从单层开始，但由于分化，它们会分层，形成多层，当这些细胞在气液界面培养时，分化就发生了。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，”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更有效地分化。当角膜细胞在有闪烁的空气中培养时，与无闪烁的静态模型相比，分化的速度和程度显著增加。基于这一结果，我们推测眨眼引起的生理力量可能有助于角膜的分化和维持。”

        换句话说，当人造眼睑在人造角膜上闪烁时，生长在科学家支架上的人类角膜细胞在其特定的工作中变得更加专业化和高效，这表明像眨眼这样的机械力对细胞的功能有重要的影响。这些概念上的进步，加上药物发现的应用，突出了芯片上的工程器官可以为科学做出多方面的贡献。

        Huh和Seo的eye-on-a-chip还只是刚刚涉足药物测试领域，但这第一步是一个胜利，代表了多年来对他们的人工眼睛进行改进，以达到这种精度和实用性的水平。

        Seo说:“虽然我们刚刚演示了概念验证，但我希望我们的芯片眼平台能进一步发展，除了用于药物筛选之外，还能用于多种应用，比如隐形眼镜测试和眼科手术。”

        “我们特别自豪的是，我们的工作提供了一个伟大和罕见的跨学科努力的例子，涵盖了从设计和制造新的生物工程系统到复杂人类疾病的体外建模到药物测试的广泛研究活动，”Huh说。“我认为这就是为什么我们的研究独一无二，代表了芯片上的器官技术能够带来的创新。”

        来源：Medindia

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