A team of scientists and engineers

A team of scientists and engineers at Lawrence Livermore National Laboratory is developing “human-on-a-chip,” a miniature external replication of the human body, integrating biology and engineering with a combination of microfluidics and multi-electrode arrays. Photos by Julie Russell/LLNL
By Jeremy Thomas

Development of new prescription drugs and antidotes to toxins currently relies extensively on animal testing in the early stages of development, which is not only expensive and time consuming, it can give scientists inaccurate data about how humans will respond to such agents.

But what if researchers could predict the impacts of potentially harmful chemicals, viruses or drugs on human beings without resorting to animal or even human test subjects?

To help achieve that, a team of scientists and engineers at Lawrence Livermore National Laboratory is developing a “human-on-a-chip,” a miniature external replication of the human body, integrating biology and engineering with a combination of microfluidics and multi-electrode arrays.

The project, known as iCHIP (in-vitro Chip-based Human Investigational Platform), reproduces four major biological systems vital to life: the central nervous system (brain), peripheral nervous system, the blood-brain barrier and the heart.

“It’s a testing platform for exposure to agents whose effects are unknown to humans,” said LLNL engineer Dave Soscia, who co-leads development of the “brain-on-a-chip” device used to simulate the central nervous system. “If you have a system that is engineered to more closely replicate the human environment, you can skip over the really lengthy process of animal testing, which doesn’t necessarily give us information relevant to humans.”

The iCHIP team is focusing its efforts on the brain, where they’re looking to understand how neurons interact with each other and react to chemical stimuli such as caffeine, atropine (a drug used to treat poisonings and cardiac arrest) and capsaicin, the compound that gives chili peppers their hotness, as well as real chemical agents in the Lab’s Forensic Science Center.

Unique to the iCHIP platform is combining multiple brain types on the same device without barriers between those regions. To study the brain, primary neurons are funneled or “seeded” onto a microelectrode array device, which can accommodate up to four brain regions (such as the hippocampus, thalamus, basal ganglia and cortices). After the cells grow, a chemical (atropine for example) is introduced and the electrical activity from the neurons is recorded.

“The idea is that we can look at network-wide effects across different brain regions,” Soscia said. “It adds a level of complexity that has never been done before.”

Preliminary results have shown that hippocampal and cortical cells can survive on the chip for several months while their responses are recorded and analyzed, Soscia said.

Filtering out chemicals and toxins before they reach the central nervous system in the body is accomplished by the blood-brain barrier, which is being reproduced by a team led by LLNL engineer Monica Moya. The device uses tubes and microfluidic chips to simulate blood flow through the brain. Moya and her team are testing the device with caffeine and other agents to ensure the system is performing and the cells are reacting as they would in a human body.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์ชาติห้องปฏิบัติการคือการพัฒนา "มนุษย์บน-a-ชิพ การจำลองแบบภายนอกขนาดเล็กของร่างกายมนุษย์ รวมชีววิทยา และวิศวกรรม ด้วยชุดของ microfluidics และอิเล็กโทรดหลาย ภาพถ่ายโดยจูลี่ รัสเซล/LLNLโดยโทมัสเจเรมีการพัฒนายาใหม่และยาแก้พิษสารพิษปัจจุบันอาศัยอย่างกว้างขวางการทดสอบในระยะแรก ๆ ของการพัฒนา ซึ่งไม่เพียงแต่ราคาแพง และใช้เวลานาน จะสามารถทำให้นักวิทยาศาสตร์ข้อมูลไม่ถูกต้องเกี่ยวกับวิธีมนุษย์จะตอบสนองต่อตัวแทนดังกล่าวแต่ถ้านักวิจัยสามารถคาดการณ์ผลกระทบของสารเคมีอันตราย ไวรัส หรือยาในมนุษย์โดยไม่ต้อง resorting การทดสอบสัตว์ หรือมนุษย์แม้วิชาเพื่อช่วยให้บรรลุ ทีมงานของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์ห้องปฏิบัติการแห่งชาติได้มีการพัฒนาเป็น "มนุษย์บน-a-ชิพ การจำลองแบบภายนอกขนาดเล็กของร่างกายมนุษย์ รวมชีววิทยา และวิศวกรรม ด้วยชุดของ microfluidics และอิเล็กโทรดหลายโครงการ ที่รู้จักกันเป็น iCHIP (ในหลอดทดลองชิมนุษย์ทดลองแพลตฟอร์มบน), สร้างสี่หลักระบบชีวภาพสำคัญชีวิต: ระบบประสาทส่วนกลาง (สมอง), ระบบประสาท อุปสรรคเลือดสมอง และหัวใจ"มันเป็นเวทีทดสอบสัมผัสกับตัวแทนที่มีผลกระทบไม่รู้จักมนุษย์ กล่าวว่า วิศวกร LLNL Dave Soscia ที่ร่วมนำไปสู่การพัฒนาของอุปกรณ์"สมองบน-a-ชิพ"ที่ใช้ในการจำลองระบบประสาทส่วนกลาง "ถ้าคุณมีระบบที่ออกแบบมาเพื่อ เพิ่มเติมจำลองสภาพแวดล้อมที่มนุษย์อย่างใกล้ชิด คุณสามารถข้ามกระบวนการยาวจริง ๆ การทดสอบสัตว์ ซึ่งไม่จำเป็นต้องให้ข้อมูลกับเราเกี่ยวข้องกับมนุษย์"ทีมงาน iCHIP จะเน้นความพยายามในสมอง ที่พวกเขากำลังจะทำความเข้าใจวิธีการโต้ตอบของเซลล์ประสาทกับแต่ละอื่น ๆ และตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางเคมีเช่นคาเฟอีน atropine (ยาที่ใช้ในการรักษาภาวะหัวใจหยุดเต้นและ poisonings) และแคปไซซิน สารที่ทำให้พริกของตน hotness เป็นจริงสารเคมีในห้องปฏิบัติการนิติวิทยาศาสตร์ศูนย์ไม่ซ้ำไปยังแพลตฟอร์ม iCHIP เป็นการรวมหลายสมองประเภทบนอุปกรณ์เดียวกันโดยไม่มีอุปสรรคระหว่างภูมิภาคเหล่านั้น การศึกษาสมอง เซลล์ประสาทหลัก funneled หรือ "ฟิตเนส" บนอุปกรณ์ที่ใช้ microelectrode เรย์ รองรับได้ถึงสี่เขตสมอง (เช่นฮิบโป ทาลามัส basal ganglia และ cortices) หลังจากที่เซลล์เติบโต เป็นสารเคมี (atropine ตัวอย่าง) ถูกนำมาใช้ และบันทึกกิจกรรมไฟฟ้าจากเซลล์ประสาท"ความคิดว่า เราสามารถดูผลกระทบทั่วทั้งเครือข่ายข้ามภูมิภาคต่าง ๆ สมอง Soscia กล่าวว่า "จะเพิ่มระดับของความซับซ้อนที่ไม่เคยถูกทำก่อน"ผลเบื้องต้นได้แสดงให้เห็นว่าฮิปโปแคมปัส และในคอร์เทกซ์เซลล์สามารถอยู่รอดบนชิหลายเดือนในขณะที่การตอบสนองของพวกเขาถูกบันทึก และวิเคราะห์ Soscia กล่าวว่ากรองสารเคมีและสารพิษก่อนที่จะถึงระบบประสาทส่วนกลางในร่างกายได้ โดยอุปสรรคเลือดสมอง ซึ่งจะถูกทำซ้ำ โดยทีมนำ โดย LLNL วิศวกร Monica Moya อุปกรณ์ใช้หลอด และชิ microfluidic เพื่อจำลองเลือดไหลผ่านสมอง Moya และทีมของเธอกำลังทดสอบอุปกรณ์ที่ มีคาเฟอีนและอื่น ๆ แทนเพื่อให้ระบบมีประสิทธิภาพ และเซลล์มีปฏิกิริยาเป็นในร่างกายมนุษย์

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ Lawrence Livermore National Laboratory มีการพัฒนา "คนบนชิป" การจำลองแบบภายนอกขนาดเล็กของร่างกายมนุษย์การบูรณาชีววิทยาและวิศวกรรมที่มีการรวมกันของ microfluidics และหลายขั้วไฟฟ้าอาร์เรย์ ภาพโดยจูลี่รัสเซล / LLNL
โดยเจเรมีโทมัสการพัฒนายาใหม่และยาแก้พิษสารพิษในปัจจุบันอาศัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการทดสอบในสัตว์ในขั้นเริ่มต้นของการพัฒนาซึ่งไม่เพียง แต่มีราคาแพงและใช้เวลานานก็สามารถให้นักวิทยาศาสตร์ข้อมูลที่ไม่ถูกต้องเกี่ยวกับวิธีการที่มนุษย์จะ ตอบสนองให้กับตัวแทนดังกล่าว. แต่ถ้านักวิจัยสามารถทำนายผลกระทบของสารเคมีที่อาจเป็นอันตรายไวรัสหรือยาเสพติดในมนุษย์โดยไม่ต้อง resorting สัตว์หรือการทดสอบวิชามนุษย์ยัง? เพื่อช่วยให้ประสบความสำเร็จที่ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ Lawrence Livermore National Laboratory มีการพัฒนา "คนบนชิป" การจำลองแบบภายนอกขนาดเล็กของร่างกายมนุษย์การบูรณาชีววิทยาและวิศวกรรมที่มีการรวมกันของ microfluidics และหลายขั้วไฟฟ้าอาร์เรย์. โครงการเป็นที่รู้จัก iCHIP (ในหลอดทดลอง Chip-based มนุษย์ Investigational แพลตฟอร์ม) พันธุ์สี่ระบบชีวภาพที่สำคัญที่สำคัญในการดำรงชีวิต:. ระบบประสาทส่วนกลาง (สมอง) ระบบประสาทอุปสรรคเลือดสมองและหัวใจ"มันเป็นแพลตฟอร์มสำหรับการทดสอบการสัมผัสกับตัวแทนที่มีผลกระทบที่ไม่เป็นที่รู้จักกับมนุษย์ "LLNL วิศวกรเดฟ Soscia ใครบอกว่าร่วมนำไปสู่การพัฒนาของ" อุปกรณ์ Brain-on-a-ชิป "ที่ใช้ในการจำลองระบบประสาทส่วนกลาง "ถ้าคุณมีระบบที่ถูกออกแบบให้ใกล้ชิดมากขึ้นทำซ้ำสภาพแวดล้อมของมนุษย์ที่คุณสามารถข้ามขั้นตอนที่มีความยาวจริงๆของการทดสอบในสัตว์ซึ่งไม่จำเป็นต้องให้ข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับมนุษย์." ทีม iCHIP จะเน้นความพยายามในการ สมองที่พวกเขากำลังมองหาที่จะเข้าใจว่าเซลล์ประสาทโต้ตอบกับแต่ละอื่น ๆ และตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางเคมีเช่นคาเฟอีน, atropine (ยาที่ใช้ในการรักษาพิษและภาวะหัวใจหยุดเต้น) และ capsaicin สารประกอบที่ช่วยให้พริกร้อนของพวกเขาเป็น รวมทั้งสารเคมีที่แท้จริงในศูนย์วิทยาศาสตร์แล็บของนิติเวช. ที่ไม่ซ้ำกับแพลตฟอร์ม iCHIP จะรวมประเภทสมองหลายคนบนอุปกรณ์เดียวกันโดยไม่ต้องอุปสรรคระหว่างภูมิภาคเหล่านั้น เพื่อศึกษาสมองเซลล์ประสาทหลัก ๆ ที่พัดหรือ "เมล็ด" ลงบนอุปกรณ์ microelectrode อาร์เรย์ซึ่งสามารถรองรับได้ถึงสี่ภูมิภาคสมอง (เช่น hippocampus ฐานดอก, ฐานปมและ cortices) หลังจากเซลล์เติบโตสารเคมี (atropine ตัวอย่าง) เป็นที่รู้จักและกิจกรรมไฟฟ้าจากเซลล์ประสาทจะถูกบันทึกไว้. "ความคิดคือการที่เราสามารถมองไปที่ผลกระทบทั่วทั้งเครือข่ายทั่วบริเวณสมองที่แตกต่างกัน" Soscia กล่าวว่า "มันจะเพิ่มระดับของความซับซ้อนที่ไม่เคยทำมาก่อน." ผลการศึกษาเบื้องต้นได้แสดงให้เห็น hippocampal ที่และเซลล์เยื่อหุ้มสมองสามารถอยู่รอดบนชิปเป็นเวลาหลายเดือนในขณะที่การตอบสนองของพวกเขาจะถูกบันทึกและวิเคราะห์ Soscia กล่าว. กรองสารเคมีและสารพิษก่อนที่พวกเขา เข้าถึงระบบประสาทส่วนกลางในร่างกายสามารถทำได้โดยอุปสรรคเลือดสมองซึ่งจะถูกทำซ้ำโดยทีมนำโดย LLNL วิศวกรโมนิกาโม อุปกรณ์ที่ใช้หลอดและชิปไมโครเพื่อจำลองการไหลเวียนของเลือดผ่านสมอง Moya และทีมงานของเธอมีการทดสอบอุปกรณ์ที่มีคาเฟอีนและอื่น ๆ แทนเพื่อให้แน่ใจว่าระบบมีประสิทธิภาพและเซลล์จะทำปฏิกิริยาที่พวกเขาจะอยู่ในร่างกายมนุษย์

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore มีการพัฒนา " human-on-a-chip " แบบภายนอกขนาดเล็กของร่างกายมนุษย์ รวมชีววิทยาและวิศวกรรมที่มีการรวมกันของไมโครฟลูอิดิกและหลายขั้วไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ภาพถ่ายโดยจูเลียรัสเซล / LLNLโดยเจเรมี โธมัสการพัฒนาของยาตามใบสั่งแพทย์ใหม่และ antidotes สารพิษในปัจจุบันอาศัยอย่างกว้างขวางในสัตว์ทดลองในระยะแรกของการพัฒนา ซึ่งไม่เพียง แต่ราคาแพงและใช้เวลานาน มันสามารถให้ข้อมูลไม่ถูกต้องเกี่ยวกับนักวิทยาศาสตร์ว่ามนุษย์จะตอบสนองเช่นตัวแทนแต่ถ้านักวิจัยสามารถทำนายผลกระทบของสารเคมีที่อาจเป็นอันตรายไวรัสหรือยาในมนุษย์ สัตว์ หรือแม้แต่คนโดยไม่ต้อง resorting เพื่อทดสอบมนุษย์เพื่อช่วยให้บรรลุความสำเร็จ ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore มีการพัฒนา " human-on-a-chip " แบบภายนอกขนาดเล็กของร่างกายมนุษย์ รวมชีววิทยาและวิศวกรรมที่มีการรวมกันของไมโครฟลูอิดิกและหลายขั้วไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องโครงการ , ที่รู้จักกันเป็น ichip ( ในหลอดทดลองใช้แพลตฟอร์มชิปหรือมนุษย์ ) หน้าที่ 4 ระบบชีวภาพหลักสําคัญของชีวิต : ระบบประสาทส่วนกลาง ( สมอง ) , ระบบประสาท , โครงสร้างกั้นระหว่างเลือดและสมอง และหัวใจ" มันคือการทดสอบแพลตฟอร์มสำหรับการเปิดรับตัวแทนที่มีผลกระทบที่ไม่รู้จักมนุษย์ กล่าวว่า วิศวกร soscia LLNL เดฟที่ร่วมนำการพัฒนา " brain-on-a-chip " อุปกรณ์ที่ใช้ในการกระตุ้นระบบประสาทส่วนกลาง " ถ้าคุณมีระบบที่ถูกออกแบบมาเพื่ออย่างใกล้ชิดเลียนแบบสภาพแวดล้อมของมนุษย์ คุณสามารถข้ามขั้นตอนที่ยาวจริงๆ ของสัตว์ทดลอง ซึ่งไม่จำเป็นต้องให้ข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับมนุษย์ . "ทีม ichip เป็นปีของความพยายามในสมองที่พวกเขากำลังมองหาที่จะเข้าใจวิธีการที่ประสาทโต้ตอบกับแต่ละอื่น ๆและตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นทางเคมีเช่นคาเฟอีน , อะโทรปีน ( ยาใช้รักษาพิษ และหัวใจหยุดเต้น ) และ สารแคปไซซิน สารให้ความเผ็ดของพริก ตลอดจนสารเคมีจริงในศูนย์ นิติวิทยาศาสตร์ของ Labซ้ำกับ ichip แพลตฟอร์มรวมสมองหลายชนิดในเครื่องเดียวกัน โดยไม่มีอุปสรรคระหว่างภูมิภาคเหล่านั้น เพื่อศึกษาสมอง เซลล์ประสาทปฐมภูมิเป็นหมีขาวหรือ " เมล็ด " บนไมโครอิเล็กโทรดเรย์อุปกรณ์ ซึ่งสามารถรองรับได้ถึงสี่พื้นที่สมอง เช่น สมองส่วนฮิปโปแคมปัส อาคาอินุพื้นฐานปมประสาท และ cortices ) หลังจากที่เซลล์เจริญเติบโต , สารเคมี ( atropine ตัวอย่างเช่น ) แนะนำและกิจกรรมไฟฟ้าจากเซลล์ประสาทจะถูกบันทึกไว้" ความคิดที่เราสามารถดูที่เครือข่ายกว้างในภูมิภาคต่าง ๆที่มีสมอง " soscia กล่าว " จะเพิ่มระดับของความซับซ้อนที่ไม่เคยมีมาก่อน "ผลเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่าน้ำหนักเปลือกเซลล์และสามารถอยู่รอดได้ในชิปหลายเดือน ในขณะที่การตอบสนองของพวกเขาจะถูกบันทึกและวิเคราะห์ soscia กล่าวกรองสารเคมีและสารพิษ ก่อนที่จะถึงระบบประสาทในร่างกายได้ โดยโครงสร้างกั้นระหว่างเลือดและสมอง ซึ่งถูกผลิตโดยทีมงานนำโดยวิศวกร LLNL โมนิก้า โมยา . อุปกรณ์ที่ใช้หลอดและชิปไมโครฟลูอิดิก เพื่อจำลองการไหลของเลือดผ่านสมอง โมยาและทีมงานของเธอกำลังทดสอบอุปกรณ์กับคาเฟอีนและสารอื่น ๆเพื่อให้ระบบมีประสิทธิภาพ และเซลล์จะตอบสนองตามที่พวกเขาจะในร่างกายมนุษย์