【导读】

口服给药是各种给药方式中最方便的一种，然而，生物利用度差是口服药物开发的主要障碍。药物口服后，经肠粘膜和肝脏的代谢再进入血液循环，这一过程被称为首过代谢，会使药物进入体循环的剂量大为降低，导致生物利用度较差，药理活性降低，需要更高的剂量来获得最低有效血药浓度。

传统体外2D培养模型应用于药代动力学研究时，由于缺乏三维结构，无法再现ECM对细胞整体功能的影响，因此，基于2D模型筛选的有效药物剂量应用于患者时往往无效。为了在体外准确预测药物的首过代谢，CHA University的Jongman Yoo课题组开发了一种简单、快速、经济的3D微流控芯片，用于预测药物的首过代谢(FPM芯片)，并使用小肠(SI)类器官和结直肠腺癌球体验证了芯片的可行性。实验数据表明，与动物模型相比，FPM芯片更能代表药物代谢的生理条件。相关研究“Recapitulation of First Pass Metabolism Using 3D Printed Microfluidic Chip and Organoid”于2021年11月25日发表在杂志《Cells》上。

FPM芯片设计与基本条件优化

研究者使用具有良好热塑性和生物相容性的聚碳酸酯打印芯片，为了在芯片上进行药物筛选时能获取高精度图像，研究者设计了不同填充百分比（10%、30%、50%、70%、90%）的芯片，并分别进行图像观察。结果表明50%填充物分辨率最高（图1A，B）。此外对不同厚度芯片上的小鼠肠类器官进行了活性检测，表明0.1μm厚度下的肠类器官活性最好（图1C、D）。

图1 优化芯片在显微镜的可视化及类器官在芯片中的活性

研究者设计3种不同的芯片（图2）。芯片1：第一孔道和第三孔道都是直径18mm，第二孔道6mm，三个孔道位于同一高度，相邻孔道通过45°倾斜通道相连；芯片2：三孔道直径大小和芯片1一致，但高度不同，第一孔道比芯片1高5mm，同时相邻通道通过倾斜通道相连；芯片3：三孔道直径大小和高度与芯片1一致，但连接通道使用平行通道。

图2 三种不同规格FPM芯片

FPM芯片中药物分布测试

为了评估3种FPM芯片中药物分布情况，研究者在第二孔道中加入基质胶（模拟类器官），在第一孔道中加入10μg质粒，分别于48h和72h测定三个孔道中的质粒分布（图3）。结果表明，48h后，与芯片1,3相比，芯片2中第二孔道中质粒浓度最高。

图3 FPM芯片中质粒分布

FPM芯片中多西他赛和紫杉醇药物首过代谢模拟

为了进一步验证FPM芯片的可行性，研究者使用芯片2进行了多西他赛和紫杉醇药物首过代谢模拟。实验组在芯片2的第一孔道加入药物，第二孔道加入小肠类器官，第三孔道加入HT-29细胞球，对照组第一孔道和第三孔道与实验组一致，第二孔道中加入基质胶。检测第三孔道中HT-29细胞球的活性。结果表明，当有小肠类器官存在时，HT-29细胞的活性显著高于无小肠类器官模型组（图4）。

图4 FPM芯片中HT-29细胞活性

同时，在不同浓度作用下，对小肠类器官和HT-29细胞球进行活死染色，结果表明600nM浓度下，小肠类器官继续正常生长，而HT-29细胞球有明显死细胞，同时有小肠类器官模型组，HT-29细胞球死亡数显著少于对照组（图5）。

图5 不同浓度下小肠类器官和HT-29细胞球中死细胞染色

综上所述，研究者利用3D打印构建了FPM芯片，同时验证了多西他赛和紫杉醇在小肠类器官中被代谢后，其肿瘤杀伤效果显著降低。这些结果表明，类器官技术、3D打印技术和微流控芯片技术的结合，可以为药物开发带来新的模式和方法。