每天花8小时或更长时间盯着电脑屏幕的人可能会注意到他们的眼睛变得疲倦或干燥，如果这些情况严重，他们最终可能会患上干眼病(DED)。DED是一种常见疾病，FDA批准的药物选择令人震惊，部分原因是难以对人眼的复杂病理生理进行建模。进入闪烁的芯片上：在宾夕法尼亚大学工程研究人员的实验室中构建的人造人眼复制品。

这款眼睛一片，眼睑闪烁，正在帮助科学家和药物开发者提高他们对DED的理解和治疗，以及其他潜在的用途。该研究发表在“自然医学”杂志上，概述了作为器官替身的芯片上眼睛的准确性，并展示了其作为药物测试平台的实用性。

该研究由生物工程系副教授Dan Huh和研究生Jeongyun Seo领导。

他们与宾夕法尼亚州佩雷尔曼医学院眼科学系的Vivian Lee，Vatinee Bunya和Mina Massaro-Giordano，以及宾夕法尼亚大学材料科学与工程系的Eduardo D. Glandt总裁杰出教授Vivek Shenoy合作。其他合作者包括Huh实验室成员Woo Byun，Andrei Georgescu和Yoon-suk Yi以及Shenoy实验室成员Farid Alisafaei。

Huh的实验室专注于创建片上器官，提供微工程体外平台，以模仿他们的体内对应物，包括今年5月发射到太空的肺和骨髓代谢物来研究宇航员的疾病。该实验室花了数年时间对芯片进行微调，为其在药物，化学品和化妆品的无动物测试方面的承诺赢得了2018年的奖励。

在这项研究中，Huh和Seo专注于设计一种可以用DED模仿健康眼睛和眼睛的眼睛模型，使他们能够测试一种没有人类伤害风险的实验药物。

为了构建他们的芯片，Huh的团队从一个多孔脚手架开始，这个脚手架采用3D打印设计，大小相当于一角硬币的大小和隐形眼镜的形状，他们在上面生长人眼细胞。角膜细胞生长在脚手架的内圈上，染成黄色，结膜细胞(覆盖人眼白色部分的特化组织)生长在周围的红色圆圈上。一块明胶充当眼睑，以与人眨眼相同的速率在眼睛上机械滑动。通过泪管喂养，染成蓝色，眼睑在人眼上涂抹人工泪液分泌物，形成所谓的泪膜。

“从工程的角度来看，我们发现考虑模仿人眼眨眼动态环境的可能性很有意思。闪烁可以传播眼泪并产生一层薄膜，使眼睛表面保持水分。它还有助于形成光滑的折射用于透光的表面。这是我们想要在我们的设备中概括的眼表的一个关键特征，“Huh说。

对于患有DED的人来说，泪膜的蒸发速度比补充的更快，导致炎症和刺激。DED的一个常见原因是在计算机过度使用期间发生的眨眼减少，但人们也可能出于其他原因而患上该疾病。DED影响了全世界约14%的人口，但自2010年以来200个临床药物试验失败，目前只有两个FDA批准的药物用于治疗，因此开发新疗法的难度非常大。

自从最初的概念化以来，Huh的实验室一直在考虑芯片上器官的药物测试潜力，并且由于其表面水平的影响区域，DED似乎是开始将他们的眼睛模型用于测试的完美场所。但在他们开始药物试验之前，团队必须确保他们的模型能够真正模仿DED的条件。

“最初，我们认为对DED进行建模就像保持文化环境干燥一样简单。但事实证明，这是一种非常复杂的多因素疾病，具有多种亚型，”Huh说。“然而，无论何种类型，DED的发展和进展都有两个核心机制。首先，当水从泪膜中蒸发时，盐浓度急剧增加，导致泪液的高渗透性。其次，泪液蒸发增加，泪膜变得越来越薄，经常会过早破裂，这被称为泪膜不稳定。问题是：我们的模型是否能够模拟这些干眼的核心机制?“

经过多次实验，答案是肯定的。该团队通过将设备的人工眨眼切成两半并仔细创建一个模拟真实条件湿度的封闭环境，在他们的芯片上引发了DED条件。当针对真实人眼进行测试时，无论是健康的还是DED，相应的芯片上模型证明了它们与多个临床测量的实际器官的相似性。片上的眼睛模仿了实际眼睛在Schirmer带上的性能，该带测试了液体的产生;在渗透压试验中，观察泪膜含盐量;在角膜成像测试中，评估泪膜破裂所需的时间。

在正常和DED诱导环境中确认了他们的芯片上能够反映人眼表现的能力之后，Huh的团队转向制药行业寻找有希望的DED候选药物来试驾他们的模型。他们登陆即将推出的一种基于润滑素的药物，这种蛋白质主要存在于保护关节的润滑液中。

“当人们想到DED时，他们通常将其视为由炎症驱动的慢性疾病，”Huh说，“但是现在有越来越多的证据表明机械力对于理解DED的病理生理学非常重要。随着泪膜变薄和更多不稳定的，眼睑和眼表面之间的摩擦力增加，这可能损害上皮表面并引​​发不利的生物反应，例如炎症。基于这些观察，人们开始兴趣开发眼科润滑剂作为干眼症的局部治疗。在我们的研究中，我们使用了一种目前正在进行临床试验的基于润滑素的药物。当我们在我们的设备中测试这种药物时，我们能够证明其降低摩擦的作用，但更重要的是，使用这个模型，我们发现了它以前未知的抑制眼表炎症的能力。“

通过比较他们的健康眼睛模型，DED眼睛和DED加润滑剂眼睛的测试结果，Huh和Seo能够进一步帮助科学家了解润滑剂的工作原理，并展示药物作为DED治疗的承诺。

同样，建立一个闪烁的芯片上的过程推动了科学家对眼睛本身的理解，提供了对力学在生物学中的作用的见解。与工程机械生物学中心主任Shenoy合作，研究小组的注意力集中在物理眨眼动作如何影响他们培养的细胞以在他们的脚手架上设计人工眼睛。

“最初，角膜细胞以单层开始，但它们分层并由于分化而形成多层，当这些细胞在气 - 液界面培养时发生。它们还形成紧密的细胞 - 细胞连接和在分化期间表达一组标记，“Huh说。“有趣的是，我们发现由于眨眼引起的机械力实际上有助于细胞更快速和更有效地分化。当角膜细胞在眨眼时在空气中培养时，与静态模型相比，分化的速率和程度显着增加。基于这个结果，我们推测眨眼引起的生理力可能有助于角膜的分化和维持。“

换句话说，当人工眼睑在它们上面眨眼时，在科学家的支架上生长的人类角膜细胞在他们的特定工作中更快地变得专业和有效，这表明像眨眼这样的机械力有助于细胞如何发挥作用。这些类型的概念进展与药物发现应用相结合，突出了芯片上的器官可以为科学做出贡献的多方面价值。