单位文秘网 2021-07-10 08:18:39 点击: 次
人类既然不能拿自己真实的心脏随便做实验,而实验又不能不进行,那如何破解这个难题呢?于是,科学家想到了打造——
很多难以医治的疾病,都是人的心肝肺等内脏疾病引起的,因此,要做到有效的防病治病,前提是要全面了解人的内脏的每个细节的变化情况,以及它们对包括药物在内的各种刺激物的反应情况,而要实现这些目标,去拿真正的内脏去做实验,不但可供实验的内脏昂贵且稀缺,而且违反道德人伦。
所以要解决这个实验难题,就要想办法模拟心肝肺等内脏器官,用模拟器官进行实验。如某种药物通过了动物实验,却无法通过人体实验,因而无法真正投产上市,还造成了严重的成本浪费。如果使用模拟的内脏进行测试,就可以省去动物实验步骤,节省大量的时间和金钱,还避免了许多动物保护方面的道德问题。
那么,怎样才能模拟出可供实验研究的人体器官呢?
计算机虚拟出“心肝肺”
现在,在新西兰奥克兰大学的实验室里,一位研究人员向大家展示了他模拟的内脏器官之一——“心脏”。瞧,这颗心脏在不停地跳动;如果触动它,它会加速;打乱它的平衡,它将会剧烈跳动。更让你吃惊的是,研究人员还可以随心所欲地开启或关闭它。
真的,这颗“心脏”不是在研究人员的身上,而是在笔记本电脑中。让人惊叹的是,心脏被仿真的程度十分惊人,从围绕心脏的各种精细的血管网络,到单个细胞中的特定蛋白质成分,一应俱全。更具体点说,它是将心脏的复杂结构和功能转化为数以千计的数学方程和几百万个数据点进行表达,在计算机中进行编程和仿真的。
不错,这颗模拟心脏是虚拟的,几乎是“梦幻心脏”,它完全是在计算机屏幕上对心脏器官形式和功能的模拟组合。不过,它的外部形状是通过对狗心脏的数千个极薄的切片进行分析而确定的。然后这些测量结果被数字化,送入计算机。每个切片中细胞和肌肉的三维排列都根据显微检查而确定,这些信息也被添加到计算机的几何数据中。当然,处理这些数据要用一系列数学方程,这样才能描述所有器官组织的物理特性,进而确定心脏组织应激反应等生理行为。通过一系列数学方程,研究人员可以自如地附加许多用数学方法描述的心脏内部活动的动作,例如通过心脏的开启和闭合等。这样做的结果就是,生成的仿真图像无论从外观上还是行为上都与真实的心脏十分相似。
可别小看了这颗模拟心脏,它可是一门新兴学科——信息生物学的一个典型范例,这个研究成果汇集了许多生物工程学家、生理学家和计算机科学家的研究成果,已经将复杂的心脏解剖学、力学和电子生理学等汇集到了一个数学模型中。借用这个技术,奥克兰大学的研究人员又模拟出了人的肺脏。
模拟活的“心肝肺”
尽管计算机虚拟的心脏很逼真,但毕竟还是“死的”——没有生命,对研究人体内脏,还是不够真切具体和生动。为此,美国哈佛大学的研究人员创造出了一种有生命的人体内脏——“器官芯片”。
“器官芯片”说到底,是有生命的人体器官,它是含有真正人体活体细胞的生物芯片。到目前为止,研究人员已经制造出了“肺芯片”、“心脏芯片”以及“肠芯片”。在最近研发出的“肠芯片”中,研究人员将一层人体肠道细胞植入到一小张柔性多孔薄膜中,然后再将薄膜附着到芯片壁上,利用小型空气泵的冲击,薄膜就可以像真正的人体肠道蠕动一样伸展和收缩。这样制造出来的“肠道芯片”与真实的人体肠道极为接近,它的表面甚至能够允许细菌的生长。
这些模拟的有生命的“心肝肺”的问世,大大加速了人体器官的分析过程。比如DNA的分析,利用这些技术,我们可以在短短几个小时中获得整个基因序列组信息,而在以前这个工作可能要花费数周甚至数月。在药物测试方面,它们的优点也显而易见:它们可以最大限度地模拟真正的人体测试,同时透明的芯片能让观测变得非常容易。当研究人员需要测试一种药物时,只需要将药物所含化合物加入芯片,再观察芯片中的肠道细胞或是心、肺细胞如何反应即可;还可以利用它们测试药物、毒素或者食物的吸收速度,或是益生菌对人体器官的作用等等。更重要的是,这些模拟的有生命的“心肝肺”可以帮助人们更好地了解和处理疾病。比如“节段性肠炎”这种病,多发于青年女性身上,但至今发病原因不明,难以医治的最大原因是一直无法找到患有这种疾病的动物,来进行药物测试,而利用模拟的有生命的“肠”,这个问题就迎刃而解了。
无论是计算机虚拟的还是芯片模拟的“心肝肺”,这些亦幻亦真的模拟人体器官,对医学研究,都具有不可替代的作用。当然,有生命的模拟器官未来的发展前景会更大,如未来有可能将这些芯片植入人体来增强甚至替代现有器官,甚至可以将一大堆这类器官组装到一起,创造出一个完整的“人体”等等。这一切,都有可能。
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