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    3. 顧奇團隊合作取得器官制造數據庫及功能評價(jià)模型進(jìn)展

      幾十年來(lái),微生理結構(Microphysiological Constructs,MPC)和微生理系統(Microphysiological Systems,MPS)取得了顯著(zhù)進(jìn)展——從自組裝細胞團到器官芯片的快速發(fā)展。這些技術(shù)被認為能夠替代動(dòng)物模型,應用于藥物研發(fā)、個(gè)體化治療及再生修復等領(lǐng)域。同時(shí),類(lèi)器官、器官芯片、生物材料、生物3D打印以及人工智能等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)的交叉融合,為MPC和MPS構建策略提供了新的思路。

      中國科學(xué)院動(dòng)物研究所/北京干細胞與再生醫學(xué)研究院顧奇團隊分別聯(lián)合澳大利亞伍倫貢大學(xué)Jun Chen教授、Gordon Wallace教授和中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò )中心大數據知識工程研發(fā)團隊杜一、崔文娟研究員以及中國科學(xué)院動(dòng)物研究所李鑫團隊,圍繞MPC和MPS領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)行綜述,建立器官制造數據庫,并以肝臟作為研究對象,建立多形式組織工程肝臟的預測模型;相關(guān)成果分別發(fā)表在Small Methods、International Journal of AI for Material and Design (IJAMD) 和Lab on a Chip期刊上。

      1. 微生理結構和微生理系統:生物制造策略、仿生評估方法和生物醫學(xué)應用的綜述

      該綜述“Microphysiological Constructs and Systems: Biofabrication Tactics, Biomimetic Evaluation Approaches, and Biomedical Applications”發(fā)表于Small Methods,為當期內封面文章。

      該文以“人體生理系統-器官”為索引,重點(diǎn)解讀了MPCs和MPSs的構建策略中,生物材料、生物油墨、3D生物打印、微納加工、生物傳感、數據建模等技術(shù)的最新進(jìn)展,總結了仿生結構和功能評估的量化方法,闡述了其在藥物發(fā)現、個(gè)體化治療及藥物靶向遞送中的作用。文章指出,MPCs和MPSs的制造和評價(jià)目前尚缺乏清晰的行業(yè)標準,需要加快推進(jìn)標準化協(xié)議和驗證方法的開(kāi)發(fā),以提高其可轉化性、可重復性和可預測性。

      作為傳統動(dòng)物試驗替代方案,MPS和MPC在組織工程、再生醫學(xué)和藥物發(fā)現領(lǐng)域彰顯出巨大的應用潛力,但在應用過(guò)程中仍面臨一些急需解決的挑戰。例如,實(shí)現多器官功能耦合、深度免疫化和血管化,以復現人體不同尺度器官之間復雜的相互作用和調控機制,從而構建更真實(shí)的生理病理模型,便是面臨的重要挑戰之一。未來(lái),隨著(zhù)多學(xué)科技術(shù)深度發(fā)展融合,MPSs和MPCs在結構和功能上會(huì )更接近人體,為再生醫學(xué)、藥物開(kāi)發(fā)、精準治療的研究范式帶來(lái)顛覆性變革。

      文章鏈接:https://doi.org/10.1002/smtd.202300685

      2. 可分析預測的綜合性器官制造數據庫

      2024年1月29日,International Journal of AI for Material and Design(IJAMD)刊登了題目為“Manufacturing multi-organs database: A comprehensive, predictive, and analytical biofabrication database”的文章。

      組織工程化器官的生物制造過(guò)程,包含仿生設計、細胞培養和分化、生物活性材料合成和優(yōu)化、時(shí)序性細胞命運調控等諸多環(huán)節,涉及材料化學(xué)、3D生物打印、微流體控制、微納加工等多學(xué)科技術(shù)。因此,目前已發(fā)表的器官制造文獻提供了復雜多樣的實(shí)驗數據及先驗知識。然而,如何整合并理解這些豐富的資料仍然是一個(gè)挑戰。顧奇團隊與合作者通過(guò)建立一個(gè)實(shí)時(shí)更新的多器官數據庫(manufacturing multi-organs database, MMDB),通過(guò)分析37個(gè)人體典型器官相關(guān)的5129篇論文,提取生物制造中常用的細胞調控、材料修飾和制造策略等信息,構建了一個(gè)可預測最佳構建策略和器官功能指標的機器學(xué)習模型,量化分析出器官從制造到應用全流程的材料特性、制造策略和功能等指標,幫助研究人員優(yōu)化實(shí)驗設計,為器官特異性的最優(yōu)設計方案提供參考。同時(shí),MMDB還提供包括熱點(diǎn)分析、趨勢判斷、國際合作分析、器官功能和生物材料的綜合知識圖譜等知識服務(wù)。MMDB作為一個(gè)重要且易于訪(fǎng)問(wèn)的器官制造知識庫,研發(fā)團隊希望它能為眾多實(shí)驗設計提供輔助和優(yōu)化方案,推動(dòng)生物制造領(lǐng)域不斷進(jìn)步。

      數據庫網(wǎng)址:http://data.iscr.ac.cn/mmdb/

      文章鏈接:https://doi.org/10.36922/ijamd.2420

      3. 基于機器學(xué)習的人工器官功能評估:3P模式框架與驗證

      該研究成果于2024年2月7日發(fā)表在Lab on a chip上,題目為“Assessing bioartificial organ function: the 3P model framework and its validation”,并被選為當期內封面文章。

      近年來(lái),類(lèi)器官、3D打印、器官芯片等技術(shù)快速發(fā)展,用于模擬器官結構及功能。以人工肝臟為例,研究者們通過(guò)以上方式構建了眾多體外培養模型,累積了豐富實(shí)驗數據。然而各研究間存在一定異質(zhì)性,目前缺少人工肝臟功能數據的標準化、多手段對比及功能預測策略。本研究提取了近十年體外人工肝模型實(shí)驗數據,比較了多個(gè)機器學(xué)習回歸預測模型,剖析了基于2D、3D自組裝(無(wú)材料)、3D支架(含材料)及芯片四種類(lèi)型的人工肝臟功能,確定了各制造參數的重要程度,用于設計制造參數優(yōu)化(Pre-design);揭示了制造參數對培養周期內人工肝白蛋白和尿素分泌能力的影響(Present);此外,該研究還預測了體外人工肝臟系統的功能維持能力 (Predict)。雖然符合篩選標準的數據有限,但該模型仍能較好地擬合現有實(shí)驗結果,為評估人工肝臟功能提供了參考,也為其他類(lèi)型器官的體外制造手段評估提供了借鑒。

      3P 模型技術(shù)路線(xiàn)圖

      文章鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/lc/d3lc01020a/unauth

      這些工作獲得了中國科學(xué)院A類(lèi)先導專(zhuān)項“器官重建與制造”(XDA16020802)、國家自然科學(xué)基金(T2222029和U21A20396),國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2022YFA1104701)、北京干細胞與再生醫學(xué)研究院孵化基金和中國博士后科學(xué)基金(2022M710903)項目資助。

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