為了確認即將上架的藥物不會產生毒性，世界上大多數國家要求候選藥物通過嚙齒動物及非嚙齒動物的試驗；這種傳統藥理學的模型中，必須犧牲無數的大鼠和狗，而且一項分析顯示，動物試驗只正確地預測了 150 種對人體產生毒性之藥物中的 71%，在針對各種器官的毒性之中，又以肝毒性的預測準確率最低！近期科學家研發的肝臟晶片將透過更準確、減少動物犧牲的方式解決此問題。
肝臟的結構由最主要的肝細胞 (hepatocytes) 、肝竇內皮細胞 (liver sinusoidal endothelial cells) 、星狀細胞 (stellate cells) 以及克布霍細胞 (Kupffer cells) 組成（圖一）。不論是傳統的平面培養皿或後續研發的三維細胞球體培養，都難以呈現活體組織中的代謝能力和細胞之間的互動關係，以至於無法準確地檢測藥物肝毒性。
圖一：肝竇 (liver sinusoid) 是肝臟最基本的功能單位，由四種細胞組成：肝細胞 (hepatocytes) 、形成微血管壁的肝竇內皮細胞 (liver sinusoidal endothelial cells) 、維持細胞外基質的星狀細胞 (stellate cells) 以及屬於免疫巨噬細胞的克布霍細胞 (Kupffer cells) 。 (Kang et al., 2015)
Jang et al. (2019) 運用近十年發展出的「器官晶片」技術，培養來自人類、大鼠、和狗的初代細胞，重現肝臟中複雜的細胞結構：肝細胞夾在兩層細胞外基質的「三明治」之間，其他的三種細胞培養在一層多孔膜的另一面，而最下方是微流通道，模擬灌流組織的微血管（圖二）。這些肝臟晶片形成了典型的肝內皮和膽小管分支結構，開始表現肝臟特有的酶蛋白、轉運體、與血清白蛋白 (albumin) ，並可以存活至少 14 天。
圖二： (A) 肝臟晶片的示意圖，初代細胞在晶片中重現肝臟中複雜的細胞結構與細胞之間的互動關係，下方灌流的微流通道可以模擬微血管，增加細胞壽命和代謝功能，並確保所有的細胞暴露在相同的藥物濃度之中。 (B) 肝臟晶片分泌量可比擬活體動物肝臟的血清白蛋白，並展現 bosentan 在高劑量會抑制人類和狗的白蛋白分泌，顯示肝毒性；相較之下，傳統平面細胞培養無法製造具有生理意義的白蛋白濃度，也無法顯示出 bosentan 的作用。 (Jang et al., 2019)
研究團隊透過此晶片測試多種已知據有肝毒性的藥物，它們引發肝毒性的劑量和機轉都符合臨床觀察，這些結果是傳統細胞培養無法做到的：用於治療肺高壓的 bosentan 會抑制膽鹽輸出轉運體 (bile salt export pump) 、造成膽汁淤積，肝臟晶片顯示 bosentan 會抑制人類肝細胞的轉運體，且得到與臨床數據相符的有效濃度；市面上常見的止痛藥普拿疼 (acetaminophen) 過量會消耗細胞中的抗氧化劑穀胱甘肽 (glutathione) 並傷害肝細胞，依據此現象，實驗能在晶片中重現普拿疼劑量性地導致穀胱甘肽減少的作用，也顯示細胞的形態與功能遭到破壞；對於會產生針對克布霍細胞毒性的 JNJ-1，和會造成肝臟脂肪變性及纖維化的化療藥物 methotrexate，肝臟晶片也重現了它們的毒理機轉和引起的細胞病變。
肝臟晶片是否也能準確地重現肝毒性的物種差異呢？抗病毒藥物 fialuridine 是一個歷史上有名的案例，因為在動物模型中都沒有顯現出肝毒性，而通過臨床前試驗，卻在第二期臨床試驗被發現會導致肝臟脂肪變性和肝衰竭，造成 15 位病人中的 5 位死亡。肝臟晶片實驗顯示 fialuridine 在人類細胞中依據劑量地造成脂類堆積、血清白蛋白分泌下降、以及多種肝臟損傷的標記物上升，然而在大鼠細胞中沒有同樣的效果，實驗則顯示肝臟晶片可以靈敏地預測出物種差異（圖三）。
圖三： (A) 尼羅紅 (Nile red) 染料顯示 fialuridine 在含有人類細胞的肝臟晶片中依據劑量地造成脂類堆積，但是在大鼠細胞中沒有同樣的效果。 (B) 肝臟晶片也顯示 fialuridine 會依據劑量地減少白蛋白分泌，且增加三種肝臟損傷的標記物 (miR122、a-GST、keratin 18) ，意味著肝臟細胞受到破壞。 (Jang et al., 2019)
Jang et al. 團隊研發出重現肝臟生理與結構的肝臟晶片，準確地預測藥物對於特定物種的肝毒性的劑量與機轉，這樣的技術可以有效提升臨床前藥物試驗的效率與安全性，同時減少動物和病人的犧牲！美中不足的是，這篇論文中的肝臟晶片仍不能測試對於膽管的毒性，Jang et al. 提議未來的模型增加更多細胞種類，甚至進一步使用病人幹細胞衍生的肝臟細胞製作晶片，進行個人化的藥物試驗！
參考文獻：
- Jang, Kyung-Jin, et al. “Reproducing human and cross-species drug toxicities using a Liver-Chip.” Science translational medicine 11.517 (2019).
DOI: 10.1126/scitranslmed.aax5516 - Kang, Young Bok, et al. “Liver sinusoid on a chip: Long‐term layered co‐culture of primary rat hepatocytes and endothelial cells in microfluidic platforms.” Biotechnology and bioengineering 112.12 (2015): 2571-2582. DOI: 10.1002/bit.25659
撰文｜陳昱慈
審稿｜陳曦
