来自北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）和北卡罗来纳州立大学（NC State University）的研究人员获得了美国国家卫生研究院（National Institutes of Health (NIH)）530万美元的五年改革研究（R01）奖，以支持制备安置于硬币大小芯片上的全功能人体肠道。

这样的“芯片仿真人体器官”对于生物医学研究至关重要，因为研究人员一直都在寻找药物发现和测试的动物模型的替代品。这项新资助将资助代表该领域向前迈进重要一步的技术，克服了其他努力的局限性。

该技术采用直接从人的活体上提取的原细胞，相比于当前方法采用的永生细胞系而言，这可以提供相关性更强的结果。此外，这种装置将这些细胞雕刻进肠道的复杂结构当中，而非其他微型器官系统创建的杂乱无章的细胞球。

“我们正在构建一个远超芯片仿真人体器官的装置。我们称之为‘幻影’，这个词通常出现在科幻小说当中，用于描述重复品。这个设想创造出来的东西与自身的肠道没有什么区别。”NIH研究院四位首席调查员之一、UNC-NC State生物医学工程系主任Nancy L. Allbritton教授如是说。

Allbritton是微制造和微工程领域的专家。另外，研究团队的成员还有UNC医学院细胞和分子生理学、生物医学工程、医学副教授、肠干细胞专家Scott T. Magness博士；UNC医学院遗传学副教授、微生物专家Scott Bultman博士；北卡罗来纳大学教堂山分校和北卡罗来纳州立大学生物医学工程副教授、生物信息学专家Shawn Gomez。

“芯片仿真人体器官”的动力主要来源于制药行业的失败。仅是单一的一种药物发现、测试和批准就需要15年的时间，并花费50亿美元。动物模型是特别昂贵的，且通常无法在人体上采用相同的方法来对付药物和疾病。在平板培养皿上生长人类细胞也是效果甚微。三维的“类器官”是一种进步，但这些由杂乱细胞构成的空心球并不能准确的模仿真实器官的结构和功能。

基本上，人类肠道是由连续的单层特定细胞构成的30英尺长的空心管。再生干细胞存在于管上数百万个小凹坑或“小窝”的深处，并成熟分化成连接这些凹坑的细胞，并进一步生存与表面。肠道还含有数以万亿计的微生物，估计十倍于人体细胞。这些不同的微生物群落——统称为微生物——处理毒素和药物，刺激免疫，甚至释放激素从而影响行为。

UNC-NC State团队借用电子产品和微流领域的制备技术来构建硬币大小的复杂微环境。该器件由具有印迹或形状的“水凝胶”阵列的聚合物组成，其中“水凝胶”是能够吸收水分的分子网。这些水凝胶经专门设计，以提供生长肠道细胞的结构支撑和生化线索。插入这种器件将使管道的化学成分、流体以及气体多样化，告诉细胞该如何分化和生长，在哪分化和生长。比如说，研究人员将为这种器件设计一个陡峭的氧气梯度，从而使喜氧的人类细胞和厌氧的微生物近距离的共存。

“在培养皿中简单生长人类组织片的基本概念并不是开创性的。我们已经研究了癌细胞很长世间了，但这些努力无法复制人类生理。利用小肠或结肠的原生干细胞，现在我们能够在含有肠道干细胞和所有分化细胞的培养皿中培养肠道组织层。干细胞生物学家和工程师已经做到，在培养皿中培养出真实组织，从而制得适用于药物筛选和细胞治疗的更好模型。这项研究令我们朝目标迈进了一大步。”Magness如是说。

现在，该团队有一个可以从物理上和化学上引导小鼠肠道干细胞形成适当的肠道结构和功能的原型。几年来，Magness从在UNC医院做常规结肠镜检查的患者样本中分离并保存了人类干细胞。作为授权的一部分，他将与团队其他成员一起研究，利用这些干细胞来制造代表每个患者肠道的“幻影”。该方法将使研究人员以一种人性化的方式进行探索人类和肠道微生物细胞行为，无论是在健康状态还是患病状态。

“这样的系统将极大的推进微生物研究。现在，微生物研究涉及到取样、测序、编译患病和健康下的所有微生物。这些研究只是一个理想，所以很难收集原因和效果。该器件将使我们能够探索微生物，更好的了解引起疾病或疾病造成的微生物群落变化。”

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮