每天盯着电脑屏幕8小时以上的人可能会发现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是一种常见的疾病，很少有fda批准的药物可供选择，部分原因是在人眼中建模复杂的病理生理学很困难。进入闪烁的芯片上的眼睛:宾夕法尼亚大学工程学院的研究人员在实验室建造的人造人眼复制品。
这款芯片的芯片，搭配闪烁的眼睑，是帮助科学家和药物开发商提高他们对DED的理解和治疗等潜在用途。该研究概述了芯片作为器官备用的芯片的准确性，并证明了其作为药物测试平台的实用性。
在此次研究中，生物工程系副教授许丹(音译)和研究生徐贞允(音译)将重点放在了制作能够模拟正常眼睛和患有DED的眼睛的眼睛模型上，从而可以在不伤害人体的情况下测试实验药物。
为了构建芯片上的眼睛，Huh的团队首先用3D打印技术设计了一个多孔支架，大约一角硬币大小，形状像隐形眼镜，在上面生长人类的眼睛细胞。新利18官方角膜细胞生长在被染成黄色的支架内圈上，而覆盖人眼白色部分的特殊组织结膜细胞生长在周围的红色圈上。一块明胶就像眼睑一样，以与人类眨眼相同的速度机械地在眼睛上滑动。由染成蓝色的泪腺喂养，眼睑将人工泪液在眼睛上扩散，形成所谓的泪膜。
“从工程的角度来看，我们觉得模拟人眼眨眼的动态环境的可能性很有趣。眨眼的作用是扩散眼泪，并产生一层薄膜，保持眼表水分。它还有助于形成一个光滑的折射面，以便于光的传输。这是我们想在我们的设备中再现的眼表的一个关键特征。”
对于德国人的人来说，泪水蒸发比补充更快，导致炎症和刺激。常见的代理是在过度计算机使用过程中发生的闪烁减少，但人们也可以出于其他原因开发疾病。李帝国影响了约14％的人口，但自2010年以来，临床药物试验失败的临床药物试验难以发展，难以发挥新的治疗方法。
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Huh的实验室一直在考虑芯片的药物测试潜力，因为它们的初始概念化以来，由于其表面级别的影响，似乎是开始将眼模型置于测试的完美场所。但在他们开始审查之前，该团队必须确保他们的模型可以真正模仿德国的条件。“最初，我们认为模型代理将像只是保持文化环境干燥一样简单。但事实证明，它是一种令人难以置信的复杂的多因素疾病，具有各种子类型，“呵呵说。“无论类型如何，都有两个核心机制，提出了DED的发展和进展。首先，随着水从泪膜蒸发，盐浓度急剧增加，导致撕裂的过氧性。其次，随着撕裂蒸发的增加，撕裂膜更快地变薄，并且过早地破裂，这被称为泪膜不稳定。问题是：我们的模型能够建模这些核心干眼机制吗？“
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切成两半，并小心翼翼地创建一个模拟真实环境湿度的封闭环境，在他们的芯片上的眼睛中唤起了DED条件。当与健康和DED的真实人眼进行测试时，相应的芯片上的眼睛模型在多个临床指标上证明了它们与实际器官的相似性。这种芯片上的眼睛模拟了真实眼睛在Schirmer试纸上的表现，用来测试液体的生产;在渗透压测试中，观察泪膜的盐含量;在角膜照相术测试中，评估泪液膜破裂所需的时间。
在确认了他们的芯片上的眼睛在正常和人工诱导环境下的能力后，Huh的团队转向制药行业，寻找一种有前途的DED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，润滑剂是一种主要存在于保护关节的润滑液中的蛋白质。“当人们想到DED的时候，他们通常把它看作是一种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DED的病理生理学很重要。随着泪膜变得更薄、更不稳定，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。基于这些观察结果，开发眼部润滑剂作为干眼症局部治疗的兴趣正在显现。在我们的研究中，我们使用了一种以润滑油为基础的药物，目前正在进行临床试验。当我们在设备中测试这种药物时，我们能够展示其降低摩擦的效果，但更重要的是，使用这个模型，我们发现它有抑制眼表炎症的以前未知的能力。”
通过对比健康眼、DED眼、DED眼加润滑油的模型的测试结果，许和徐能够进一步了解润滑油的工作原理，并表明该药物作为DED治疗的前景。
同样，建立一个闪烁的尖端芯片的过程推动了科学家对眼睛本身的理解，提供了对机械师在生物学中的作用的洞察力。与工程力学中心中心主任的兼任·谢诺伊州的合作，队的注意力被吸引了物理闪烁的行动如何影响他们培养的细胞，以在其脚手架上造成人工眼睛。“最初，角膜细胞作为单层开始，但它们变得分层并形成多层，由于分化，当这些细胞在空气液体界面培养时发生。他们还形成了紧密的细胞 - 细胞结，并在分化期间表达一组标记，“呵呵说。“有趣的是，我们发现由于闪烁引起的机械力实际上帮助细胞更快地区分了细胞。当在闪烁存在下在空气下培养角膜细胞时，与静态模型的静态模型，分化的速率和程度显着增加，而不会闪烁。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，当人造眼睑在支架上闪烁时，在科学家的支架上生长的人类角膜细胞能更快地专业化和高效地完成特定的工作，这表明像眨眼这样的机械力对细胞的功能有很大的影响。这些概念上的进步，加上药物发现的应用，突出了芯片上器官工程对科学的多方面价值。
许文硕和徐文硕的芯片上的眼睛在药物测试领域还处于起步阶段，但这第一步是一个胜利，代表了他们多年来的努力，使他们的人造眼睛达到了这种准确性和实用性的水平。徐说:“虽然我们刚刚展示了概念验证，但我希望我们的芯片上眼平台能进一步先进，用于除药物筛选之外的各种应用，比如未来的隐形眼镜测试和眼科手术。”
“我们感到特别自豪的是，我们的工作提供了一个伟大的和罕见的跨学科努力的例子，涵盖了广泛的研究活动，从新型生物工程系统的设计和制造到复杂人类疾病的体外建模，再到药物测试，”Huh说。“我认为这是我们的研究的独特之处，也是器官芯片技术带来的创新的代表。”
来源：宾夕法尼亚大学
