人類“器官芯片(organs-on-chips)”正在引領一場藥品安全測試的革命。這些裝置利用人體細胞對人體器官和組織的結構和功能進行建模。以“器官芯片”來檢測藥物對不同器官的潛在影響，比傳統方法更快，此外，這種檢測方式可以減少對動物研究的需要，并更好地預測哪些新藥能有效地治療人類疾病。
我們來自一個跨學科研究團隊，目前正在研究一種腎臟芯片，為的是深入理解腎臟疾病的病理，以及尋找可以安全地治療此類疾病的藥物。
從歷史上看，新藥物的實驗室檢測是在培養皿中培養的細胞中進行的。如果一種藥物在試管中通過了最初的篩選試驗，研究人員下一步將在活體動物體內進行測試，以確定一種新藥對整個系統的影響，而不是一次只使用一種細胞。最后，經過多年的實驗室研究，研究人員將在人類身上測試一種有前景的新藥，以確定它是否安全有效。
問題是，這些藥物中有十分之九沒有通過有效測試(從小規模人體測試到病人)，因為它們最終證明是無效的或有毒的，即使它們在早期測試中顯示出有希望的結果。
“器官芯片”有可能徹底改變這個系統。小到指甲大到信用卡一般的大小，“器官芯片”由流動的通道和包含人類細胞樣本的小房間組成。全國各地實驗室開發的“器官芯片”包括腎臟、肺、肝、腸、皮膚、大腦、心臟、骨骼和生殖系統。
在一個器官芯片上，流動的液體為細胞提供氧氣和營養，類似于血液在人體中維持細胞的方式。正是這種持續流動性使得這些設備變得特別。比起在沒有流動的扁平培養皿中培養的細胞，器官芯片上生長的細胞更像人類器官中的細胞。
腎臟對人類的整體健康而言非常重要。這兩個拳頭大小的腎臟從身體中去除藥物和不需要的化合物，并在維持適當的鹽和水平衡、血壓、維生素D和骨骼健康方面發揮關鍵作用。在某些情況下，遺傳條件甚至是常用的藥物都會損害腎臟。
在美國，15%的成年人患有腎病。但大多數人甚至都不知道，因為腎臟疾病通常在病情非常嚴重之前不會出現任何癥狀。我們迫切需要了解腎臟疾病是如何開始的，以及開發新的安全和有效的治療方法。
在華盛頓大學，我們的“腎臟芯片”研究小組由來自不同學科的科學家組成，包括藥學、藥學、腎臟學(腎臟醫學)、毒理學、生物化學和生物工程。我們的團隊與當地一家生物技術公司Nortis公司合作，開發了一種小型設備——名片大小——最多有3個微型管道，每條管道的大小只有一滴水的千分之一，其中包含5000個人體腎臟細胞。當少量的液體通過管道輸送時，腎臟細胞就會暴露在重要的信號中，這些信號可以幫助芯片中的細胞表現得像在活體腎臟里一樣。
我們發現，當接觸到已知的腎臟毒素時，腎臟細胞會釋放出被稱為生物標志物(biomarkers)的信號。我們的研究表明，芯片上的細胞釋放了在腎損傷患者的尿液中常見的損傷標記。用舊的方法進行測試，在培養皿上使用細胞，相同的治療過程中沒有顯示任何損傷。這表明，在預測一種新藥是否會對人體造成腎臟損害的情況下，“腎臟芯片”可能比現有的方法更好。
現在，我們已經取得了這些有希望的結果，全國的科學團隊開始將不同的器官連接起來，以復制一個更復雜的多器官系統，以便更深入地了解藥物是如何影響人類的。例如，我們能夠將肝臟芯片連接到腎臟芯片上，以便了解一種用于草藥中的植物提取物(馬兜鈴酸，aristolochic acid )是如何損害了腎臟細胞。這種“芯片到芯片(chip-to-chip)”的研究進一步證實了一種研究需要，即以相互連接的器官芯片來模擬人體中復雜機制。
在接下來的一年里，我們的腎臟芯片項目將會成為向國際空間站發送的數個項目之一，在那里，低重力加速了細胞的變化，有時會給宇航員帶來健康問題。空間站可能是一個完美的地方，可以在數周內發現更多關于腎臟疾病的信息，而不是幾年或幾十年。
器官芯片也可以被用來開發新的藥物靶點。我們的研究小組正在評估腎臟芯片作為一種工具的適用性，以用于對腎癌、多囊腎疾病和慢性腎臟疾病患者進行藥物選擇和劑量的個性化治療。其他器官芯片實驗室正在研究免疫系統、大腦、肺、心臟和血管的疾病。數十個研究小組正以合作的方式來開發這項新技術，以革新藥物發現，從而為所有人開發更好更安全的藥物。
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