[專題講座] 陳冠宇 - 動物實驗掰掰?器官晶片的發展、現在與未來

活動主辦:台灣動物社會研究會
活動連結:https://www.east.org.tw/about/news/8345

摘要圖片取自 陳冠宇老師之個人網站


 

在今天的課程、講器官晶片之前,我想先跟大家分享一個故事。這是我這學期在交大開的一門課,叫做生醫設計與實作,我們在這門課目標是要開發一個生醫的教具。所謂開發生醫教具就是因為現在都是純上課,所以我們希望可以在課堂上給高中、國中學生動手做,讓學生可以在做之餘又學到東西,這概念其實在國外很多。因為非常多學生,所以我們分成十二組。班上大概有一半是大學生,一半是研究所的學生;一半的大學生裡,又有十五、六個是大一的學生。我們就先分組,請大家發想你想要在課堂上做什麼教具,沒有任何限制,結果有兩組的學生同時提出「青蛙解剖」的教具提案。這個比例算很高。因為有人可能想做DNA、器官等等,很多,但卻有兩組,同提出一樣的想法。接下來的投影片是取自他們的,完全沒有編修,很新鮮的報告。我們來看看同學們在想什麼。

首先,他們定義了問題:「高中活體解剖」。學生們直接講了一個人道問題:青蛙先用乙醚麻醉後再解剖,是否人道?而事後的處理--以撲殺的動物屍體與安全為例。同學在這時候就想到這些了。甚至還有「使用者描述」,他們部分同學恐懼活體,部分同學玩弄活體生命實驗等等。我其實藉這個想要跟大家分享的是,同學們其實比我們想像中地高比例的……雖然在生活圈裡不常遇到,大家也不會講出來,可是有這樣意識的新生代的學生們,(比例)是很高的,所以他們就想設計這樣的教具。雖然現在市場上已經有這樣的東西了,但我們希望學生可以自己動手做,所以他們就去設計要如何取代青蛙,(他們設計了)LED心臟等等。

這件事情我希望跟大家說的是,我們是不是應該要進行反思?我現在三十五歲,離開學生生涯後,就很容易忘記當初的某些初衷。我個人在念研究所時,其實經歷了非常多動物實驗的過程,我有把這些照片作處理(指簡報上的照片)。舉例來說,在求學過程中,我們拿小鼠作很多腫瘤模型的建立。大家可以看到,牠其實是會長一顆很大的腫瘤,那長了腫瘤後,我們就會用很多藥物治療,治療完後,你要去分析很多研究結果。(簡報)左邊這是牠所有的器官,我們都有將它們取出來,包含肺、肝、胃、心臟、腸等等。另外在組織工程這塊,以前我們會做很多骨修復的實驗。所謂骨修復的實驗分兩種,有些是用大鼠,或是在兔子的頭蓋骨鑽孔,然後放新的材料跟幹細胞進去,看能不能作修復;另外就是在牠的大腿骨,也是去打、去鑽,然後再把材料放回去。大家現在看簡報有個黑色的區,就是骨頭跟骨頭,中間是被鋸掉的洞,重新把材料放進去,然後觀察組織怎麼生長。這些動物實驗在科學界,是很多人在做的研究。可以發現有很多同學在做這個實驗的過程中,是很痛苦的,這件事情在學術界蠻常看到的,等一下可以有些數據跟大家分享。所以這是我們,包含我自己個人,在整個過程中的反思。

接著就進入到我們的主軸,我們來看這個圖表(簡報),你們可以看左邊這條線,它想要講的就是,我們有個定律叫做莫爾定律,當投入越來越多的研究經費,但事實上,在新藥開發時,我們得到新的藥、被FDA許可的藥(數量)卻是逐年下降,沒有增加。所以這件事就造成反莫爾定律。莫爾定律的概念就是,理論上你投入越多的資金,你所得到的收益跟成功率是要提高的;可是事實上,在新藥開發的產業中,這件事情是往相反方向走的。這是一個相當大的問題。這幾年,公司產業投入越來越多的錢,可是新藥開發的成果卻越來越差,這是現在一個很大的隱憂。

那我們就來思考,現在測試的藥物開發上,目前有甚麼方式?最常見的就是細胞培養,就是在盤子上養細胞,然後做藥物測試。這是最常見、最普遍的一種方式。第二種就是動物實驗。這也很常見。像照片上這個是小鼠、另一個是大鼠、兔子、狗、豬、猴子等等。基本上牠的物種越大的,就越接近人的物種,所以得到的參考數據(就越接近)。

所以接下來我們先看全球動物實驗概況,每年都有一千五百萬隻的動物用在各項實驗中,特別是美國、日本、中國、澳洲等等。那現在有個重要的問題,最廣泛、最多數的動物試驗研究被用在測試藥品,而且最大數的實驗都是在大學中進行,不是在公司。所以最大問題就是,我們光是做實驗就用掉很多動物,但是今天用在人類、收容犬上的比例卻是很低的。因此使用動物去做實驗,有沒有可能有濫用的情形?這是從統計數據上面得到的問題。當然我們可以看到,有很多事情是可以用非動物的方式進行,像是前面提到的毒理試驗。

剛剛提到的是全球性的,現在來看看台灣。台灣目前最新的資料,106年的。跟全球比起來,台灣的情況是甚麼?果然,專科以上的學校,有用動物實驗的單位。研究機構佔了31%,學校單位也佔了31%,那生物生技藥廠大概只有5%;那我們就知道用動物實驗的單位跟機構,就是以研究機構、學校為大宗,本來想像中會佔多數的藥廠只佔百分之五。再來就動物的使用量而言,我們講2017年,總共是378萬隻,而且還比前一年增加。

其中有關胚胎我要特別說,這部分主要是使用在疫苗生產。所以其實大家可以看到,胚胎使用在疫苗上,基本上就是生物製劑的藥廠。那扣掉胚胎之外的實驗動物,很可能就是落在學校跟研究機構。所以,使用胚胎的動物,尤其像是齧齒類,例如小鼠,牠其實有高達七十二萬隻,而且還在持續增加中。所以我們往下繼續討論,目前台灣動物實驗的使用量,最多的就是鼠類,學校類的用量一年是三十萬隻,研究機構也是三十萬隻,反而生物藥廠的用量沒有那麼多。這部分跟前面提到的全球結構,其實是有點吻合的,就是小鼠用的多,大部分都是用在學校內。這持續浮現一個問題,就是在學校裡面,這些動物究竟是不是必要的?還是非必要的?這問題持續被凸顯出來。而且,更可怕的是這些動物的死亡數。我們剛剛提到,總共使用的動物有七十幾萬隻,根據統計,在實驗結束後,動物的死亡比高達80%以上,所以等於在學校、研究單位裡,大家做實驗動物後,這些小鼠之後會走向死亡的比例是很高的。這七十萬隻裡,到底有多少是不需要做但還是去做(的實驗)?這也是我們要去省思的問題。

我們使用這麼多動物,然後去做很多試驗,可是無論是細胞培養或是動物測試,我們最終走向臨床前期、一期、二期、三期到最後,能成功的其實不到10%,甚至這10%只是臨床前哦,後面大概就是不到1%、2%。所以我們應該重視這個問題,花了這麼多時間、金錢,犧牲這麼多動物,去做這樣的事情,到底值不值得、該不該改?我們現在就是需要新的替代模式,它能夠複製人的器官功能性,然後去做後面這件事情。器官晶片的重要性就是這樣慢慢被產生。前面的這些資訊是希望讓大家知道全球、台灣的現況,以及為何器官晶片需要被重視。

各位想像一下,以前的人要用動物做試驗,我們來看未來的人有沒有可能不用動物,他只要用器官的晶片結合許多不同的技術,就可以減量、替代動物實驗。這就是我們的動機跟目的。我們來統整一下現階段動物實驗相關的發展有哪些。簡單來講兩個概念,一個就是體外系統的建立,另一個就是電腦運算的模型。我們今天會比較聚焦在體外系統裡的器官晶片。體外系統的部份,我自己統整了幾個比較常見的技術,例如幹細胞的技術、組織工程、高通量技術,還有疫苗、人工貼布替代液、替代物,或是無血清的細胞培養技術、重組技術、器官晶片等等,都有很多人在開發。

那另外一塊近年蠻熱門的就是人工智慧AI。他可以存取很多上千上萬種的藥物過去的歷史數據,還有對於人體的影響,統整完後,可以預測未來如果有新的藥物,對人體的影響是甚麼,藉此減少使用動物做測試的可能。這是AI可以導入的方向。

(提問:老師能否解釋多功能誘導幹細胞跟高通量試驗?)好。我們每個人都是從一個胚胎、一個幹細胞變成一個個體,所以這件事是無法回頭的,因為你當初的胚胎已經變成你了,所以每個人都不會再有得到屬於你自己的胚胎,不然你就會得到一個跟你一樣的人。2006年的時候,日本教授Yamanaka,他做了一個技術,他將成體細胞送入某些因子,意外地發現可以創建出一個很像幹細胞的細胞,所以他就將這個細胞定義為多功能誘導性幹細胞。那這細胞有個很重大的意義就是,他把我們的細胞反轉回去胚胎幹細胞的特性,這是現在可以做到的技術。不過這技術現在還存在一些疑慮,像是細胞癌化的可能。那目前發展最快的是日本,日本之前有使用這個幹細胞做臨床實驗視網膜的治療。所以這是一個很重要的細胞,它未來的價值在哪?如果我們要做器官移植,最害怕的就是免疫排斥反應,所以今天我們如果同種都還是有很強烈的排斥……想像一下,如果今天可以從我身上取出我的血液,把它反轉成長得很像胚胎幹細胞的細胞,然後再將它分化成屬於我的…例如肺器官好了,這肺就是從我身上製出來的肺器官,它所有的基因功能性跟免疫排斥性都是最適合的,這樣就可以做個人化的再生醫學利用,所以這幹細胞在未來的器官晶片也扮演很重要的角色。我們常常在講器官晶片會提到,未來我們最厲害的就是可以創建每個個體的器官晶片,就是因為我們知道怎麼去創一個器官晶片,所以我們就可以從你的血液反轉回去你的多功能誘導性幹細胞,這件事情已經很成熟了,我們再把這細胞分化成你自己的組織,再把這組織放到這晶片裡,你就可以得到器官晶片,這就是個人化器官晶片最新的應用價值。

高通量簡單說,我要得到大量的數據。我們想一個情境,今天我們如果有量化的器官晶片,它可以在這個點到這個點掃出……假設設定一千個數值,高通量檢測都可以告訴你。如果我們一般的生物實驗,就很巨觀的看出結果;可是高通量可以很快速、很大面積地掃瞄出結果,甚至更厲害的是我今天做肺的器官晶片,它都可以進行活體的即時觀察。所以高通量技術做那麼多只為一個:得到篩選的大數據。有大量的數據,這份資料才會是可靠的。不過,做出器官晶片其實離動物替代還有一段距離,因為你要能被使用 ,你要分析得到夠有效的數據,這數據要能夠替代動物實驗的可能,它還必須要做一些不同技術的結合(像是幹細胞或高通量技術),它才有可能達到這目標。替代方法不會只有單一技術,都是要多元化的,這樣才可以更接近人作為整體的實際狀況。

大家知道這是甚麼器官嗎?(簡報)這是眼睛晶片,這是在美國做出來的。他們很厲害,這是眼睛視網膜的組織,他們在上面放一個材料,然後可以被推動,像一個門可以開開關關,像眼睛眨啊眨那樣。那器官晶片其實是世界經濟論壇於2016年公布能夠改變未來的十大創新技術之一。其實這技術很複雜,我在這邊先告訴大家一個觀念:器官晶片不是把器官做在晶片上,而是把這器官最小的功能創建於晶片。譬如這是我的肺在呼吸,我不是把整個肺做在晶片裡,而是把這個肺橫切面有的功能做在晶片裡,所以是把最小的功能(放進去),但這功能絕對是最準確地做在晶片上。那現階段,可以看到腦、心臟、肺、肝、腸道、血管,這些器官晶片已經被開發出來,而且哈佛大學其實成立了一個新公司,他們已經進行到第三輪的融資,在2018年已經募資了三千六百萬美金發展這技術,它在國外已經蓬勃發展。

所謂器官晶片要具備甚麼呢?首先,因為晶片很小,要在一個小小晶片裡,必須要有多層的細胞組織,我們剛剛看的培養細胞,用一個盤子去養,它其實就是這種細胞。整個器官晶片裡面會有好多種細胞,仿真的雙層。第二點就是,器官晶片會用幫浦還有管線,是個流動式的環境。第三點,它不只流體,它整個環境非常多樣性,舉例來說,它可能會參雜很多機械應力在裡面的產生,它可以去調整O2等氣體的變化,可以重複給予養份跟pH值的酸鹼變化。所以可以藉由這些更多樣的環境讓它更貼近人體環境。第四點也是很重要的,做出器官晶片、做出仿真的組織還不夠,你要能夠去分析它。比如,今天這個晶片裡,它發生了甚麼事情、它裏頭的生理訊號的變化,這些你要有辦法得到,這個晶片才能夠被用。器官晶片必須要兼具這幾種的功能,所以才有可能叫做器官晶片。

今天再次要跟大家講的一個很重要的涵義是,器官晶片並不是將器官建立在晶片上。簡單來講,各位看圖就好,這是一個心臟。所謂的心臟晶片就不會是把心臟放到晶片裡,它會把心臟拆解成幾個組織,例如心肌、心血管組織等等。所以你把這些組織做在晶片裡、把它們串在一起,這時候它就更可能成為一個接近心臟的晶片系統。它不是單方的直接把整個心臟的功能建在晶片上,它是把重要的功能組織串在晶片上,建構整個循環功能,它就是心臟晶片。那麼以藥物測試來說,我們可以看得更巨觀一點,它當然會經過不同的器官,所以這器官晶片真正厲害的地方是,心臟可以從好幾個(晶片)串在一起成為一個心臟的多功能組織,那其他器官也是從不同的ABC、EFG(晶片)串起來,所以你會發現到最後會不停地串、串、串,然後得到一個藥物系統的測試功能。這就是器官晶片的涵義跟概念。

我們來簡單介紹一下歷史,其實到現在過了將近十年,器官晶片概念越來越成熟,不同的器官晶片也都被開發出來;更重要的是,大家可以看一下這個研究成果的發表,我們想要知道他們現在熱門的程度。微流體以及養細胞的文章從兩千年持續到2012年都很穩定成長,它的研究從零到兩萬篇。器官晶片在2008年出來,到2016年的發表從零到五六百(篇文章),而且它是非常高幅度的上升。所以可以發現,器官晶片有可能慢慢取代傳統的微流道細胞培養,因為它帶來的功能性是更強大的。歐美已經有非常多相關的公司成立,不過比較可惜的是在台灣,我們還沒有類似的產業在發展,這也是我們希望未來能夠發展的目標。

講到這裡,大家會不會好奇一件事:器官晶片做出來的話,FDA(美國食品藥品監督管理局)的臨床試驗會被許可嗎?其實在2017年,美國FDA已經介入剛剛提到的跟哈佛成立的公司,他們已經嘗試去測試相關的器官晶片。不過目前就我所知,這個測驗還在進行中,所以現在全球在做器官晶片的,其實都是在等FDA在器官晶片上給了甚麼樣的規範,因為FDA都會有個法律,在甚麼樣的狀況許可下可以替代動物。所以我們現在都在等FDA一聲令下,然後全球都會跟上動作。也就是因為如此,FDA更謹慎去做規範。

那也跟各位分享,如果對動物替代或是器官晶片非常有興趣,想要出國看看,那最大的會議是World Congress on Alternatives and Animal Use in the Life Sciences,它三年才舉辦一次,大家如果有興趣,可以看一下網站。另外我自己本身去年有參加的就是LUSH Conference。LUSH是一個化妝品公司,它每年都會辦反動物的國際會議,會議上會頒發許多獎項。在去年LUSH就特別開了個主題討論器官晶片是否能夠做動物替代,我很榮幸被邀請去演講,也跟在場許多做器官晶片的專家交流。在那時就發現歐美非常、非常投入在做(器官晶片),而且是很多人會跟我們討論。

簡單來講,前面是器官晶片的概念。這邊我再細講一些器官晶片的資訊。我用肺晶片來跟大家介紹到底器官晶片細節的運作是如何。這是一個肺的組織。肺會有一些支氣管、肺泡,所以我們吸東西後,它就會到肺部的組織,經過一些血管、肺泡。那今天我們講到空污的話,大家也可以有個概念就是空污會造成我們吸入一些粒子,吸得越深就是尺寸越小的粒子,例如pm2.5,對人類有害。另外,還有個概念就是,空污不只造成肺病變,它還會造成心血管疾病。我們從肺泡來看,肺泡跟血管會做交換,所以粒子會穿到血管裡面,送回心血管組織,就會造成心血管疾病。那這些資訊都很重要,我們現在做肺晶片就是以肺泡為雛形做出來的,那大家也要想像一下我們提過的概念,肺晶片不是把肺做到晶片上,它可以做一個肺泡的晶片、支氣管的晶片,然後再串起來,這才是一個完整的肺晶片。可是就現在來說,光做出一個肺泡或是支氣管的晶片就非常困難,我們實驗室也才把肺泡(晶片)做得差不多,目前正在開發支氣管晶片。

(影片)這是一個肺晶片的結構。他在這個晶片裡面,中間有個有孔洞狀的膜,所以它可以做細胞的養份交換,只要在上層養一個肺泡的細胞,下層養一個血管的細胞,你就可以得到一個雙組織的結構。在這結構裡,你可以利用旁邊的氣體讓它產生呼吸的功能,所以這個肺器官晶片動態的時候是用壓縮的方式;那在這裏面,你還可以做氣體的通道,下面會有血液的通道。把這所有東西串上去,上面就可以通氣體,下面就可以通血液的樣本或免疫細胞,去觀察它後續的反應。那它可以做些甚麼有趣的事情?假設今天上面的氣體內有細菌,細菌進來後--我們一般做實驗是做不到這件事的,但器官晶片可以--我在下層通了血液,血液裡面有一些白血球、免疫細胞,免疫細胞看到上層有細菌,它就會穿過去攻擊細菌,這在過往的細胞實驗是很難做到的,所以我們只能做動物實驗,可是動物實驗我們也看不到這種現象的發生。但是肺晶片它有很好的環境跟三維的功能,因此可以做到這樣的事。這樣的功能可以顯現一些生理反應、生理現象,像是可以看到細胞去追細菌,這就是器官晶片的價值。

器官晶片現在發展到如何呢?我們剛提到的,肺晶片可以去仿生呼吸的系統,所以哈佛大學曾經直接去架設一個抽菸系統,可以通菸的廢氣。然後在這廢氣裡,我們可以看到它嘗試創建疾病--像是跟肺有關的慢性肺阻塞疾病。這樣的肺晶片去跟真實的病人做比較,發現從肺晶片做出來的人類的疾病,跟真實的疾病變因是非常接近的。所以這就顯示,肺晶片不只能做器官的再生、複製,我們也可以去創建疾病,那它的應用性就變得非常的廣。

那我們實驗室作了甚麼呢?我們分兩個方向,第一個方向是做簡化型的器官晶片,我們做的比較相關的是使用者友善(user-friendly),所以我們開發的條件是它不需要用到幫浦或管線,就可以讓大家使用;第二個就是我們承襲了哈佛大學剛出的雙層肺晶片的系統,我們進行改良,讓它變得更好使用。

在這個影片開始之前,我們鎖定的議題就是空污。空污會影響到相關的疾病,例如癌症等等。這邊先看一個統計數據,相較歐盟、日本、美國pm2.5的濃度,台灣在這幾年來始終高居不下,可是各位有沒有想過,空污影響你的健康有多深?是不是沒有方法可以知道?是不是要等到生病了、健檢了才知道,原來它會造成我得到癌症。所以我們想要知道空污對於整個亞洲的影響有多嚴重、是否有迫切性,我們是先想要了解這件事,然後才找到器官晶片可以協助我們研究。大家可以看到這張示意圖,我們的器官晶片可以架在實驗室裏面,做細胞培養跟組織建構的相關測試。這乍看之下,就是把晶片放在實驗室裏面去做,其實不然,裡面有很多物理跟化學的參數要調控,所以我們花了很多人力在兩年內架構起來。簡單介紹一下給大家。

當肺的系統做出來,健康的肺泡組織會有網狀結構,那在肺晶片裡面如果去做空污粒子的實際測試,確實可以發現會讓結構破壞的結果。簡單來說我們有個雙層架構,空污氣體進來之後,它會穿過整個肺泡跟血管,然後到整個血液的通道,後續可從血液的通道去分析是哪些粒子是特別容易穿透的,那這些粒子就是造成心血管疾病的高危險群的組成成分。這件事情在晶片裡都是可以被驗證的。除了藥物開發,晶片也可以做空污的分析。這樣的技術無論是在傳統的細胞培養或是動物實驗裡,都是很難做到的事情,肺晶片就有辦法把這個生理反應重現出來。其實我們也蠻幸運的整合許多技術,持續推動這樣的肺晶片,那我們實驗室已經具備獨特的器官晶片技術,所以希望之後可以由台灣來發明未來。也蠻幸運的就是去年我們得到了LUSH Prize的亞洲區青年學者獎。

那最後一個部分,前面講了簡單的概念,那器官晶片的未來呢?我個人統整出幾個未來要解決的問題。第一個是,我們需要能夠有生理感測跟分析的功能。簡單來講我們要回到數據,我們必須要得到更多的生理反應--如果它只能得到一件事情的話,那我們為什麼要花時間去推動這個?我們覺得數據不夠啊,我們要得到更多、更真、更好的數據,這樣才有可能真的做到動物替代、減量的可能。第二個我覺得很重要的是,製程化、使用者友善化的概念,它要能夠被用。今天假設各位看到一個器官晶片,我跟你說這個做一片要一個禮拜,要花上十萬塊,你們會用嗎?不會,製造時間太久了、數量太少、你不會想用。所以我們的目的是要讓它變成製程化,讓它變便宜,然後大量生產,有個SOP,簡易的讓大家知道如何去操作。再來就是醫藥跟其他替代技術整合,例如器官晶片就可以跟幹細胞整合,它可以跟高通量整合,所以我們才有辦法從科研走向直接應用。最後一個、最重要的,標準化,盡快讓法規可以接受,這一塊是我們蠻大的問題,是沒有答案的。台灣雖然有開始在推動相關的(概念),不過腳步都還不夠快。

最後,再跟大家分享,監管機構接受替代方案的速度有加快,這幾年大家應該有感受到,好像有在發酵。不過現在的替代方案,科學界到底想不想用?如果無法帶來足夠的數據,可能大家就不會想用。這是一個很大的問題。另外一個就是說,這個替代方案其實存在巨大需求,開發的速度應該要加快,也就是我們,我們就是開發端,然後把系統做得更好,科學界的人才會願意使用這些東西。但是我們有個無法解決的,就是法規跟驗證,這個要仰賴其他不同領域的專家。每個人都有他重要的角色要做。

我們希望的目標,以一個獨自實驗來說,它需要八十隻小鼠的話,我們的肺晶片可以減量至四十隻,甚至用小鼠作的疾病創建,我們也能用晶片替代;還有些小鼠實驗,它需要先做氣體暴露--小鼠的氣曝模型建立,我們也希望用晶片做減量。再次強調的就是,未來器官晶片的技術或是動物替代的技術,應該五到十年內都很難做到完全地替代動物實驗,我們目前只能先從減量著手。只要減量能夠開始,然後在臨床前的系列一個一個去減量替代,不同的技術可能會切入到不同的臨床實驗需要的東西,然後如果每個人都可以扮演他的角色,這樣子的技術整合起來就會很有成效。

最後也是跟各位分享,我大部分還是會比較專注在科學界或學界的東西,但在這一兩年來,我也是學到很多,也收到很多單位的支持。所以今天在這邊給了個highlight,就其實器官晶片的技術不只是要走向商業化或商機,我們也希望它能夠替台灣的社會達到公平世代,不只是在產業面,而是產、官、學都要共同合作,把這件事一起做好,用科技提升社會價值,善盡社會責任。最後感謝同仁們的努力跟付出。謝謝大家。

 

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