第三节　基于离体器官、组织功能的药物发现与药物筛选

与整体动物实验相比较，离体实验具有能够严格控制实验条件、重复性好、实验周期短、用药量少、节省动物等优点。但是因为离体环境简单而体内环境复杂，各系统对药物有调节、代谢、修饰等作用，体内与体外药理药效产生差异，而且离体实验在模拟疾病模型上有一定的差距。基于组织器官和细胞功能变化的离体实验主要应用于药物的筛选、药物作用机制的深入探讨以及抗药性研究等。

离体器官、组织试验技术和体外组织培养技术可实现体外观察药物对器官或组织的直接药理作用。常用的实验对象主要有脑、肝、大小动脉血管、心脏、子宫、肠管、气管等各种器官，以及平滑肌、骨骼肌等肌肉组织、神经组织、上皮组织等离体组织。

通过离体器官、组织功能的药理学实验，可初步了解药物可能的药理作用。通过离体实验方法，直接观察药物对靶细胞、靶分子的作用，可用于药物作用机制的深入探讨。离体实验可有效地观察药物的作用规律和特征，如药物对组织、器官的初始作用，可以了解药物作用的速度、最低有效浓度以及药物作用于靶细胞的环节。

一、基于离体器官、组织张力的药物筛选

生物体内大部分肌肉组织都具有张力，如各种大小血管、心脏、肠道、气管、输精管及子宫等。这些组织器官的张力是维持其功能的基础，通过检测其张力可用来反映组织器官的功能，也可以用来观察药物的药效，研究药物的作用机制。

对组织器官张力的检测原理是通过张力换能器将力信号转化成电信号。在浴槽中将组织按一定方向固定，并且设定好初始张力，当组织张力发生变化时，会对两点产生牵拉，其中一个固定点用来连接换能器，换能器能够准确地反映出两点之间产生的张力的变化。

例如，离体血管实验是在体外检测各种血管张力的一种重要实验技术。将血管分离到体外进行检测，有效地排除了体内环境的干扰，可以非常直接地观察到血管收缩和舒张功能的变化以及药物对这种变化的影响。通过设计不同类型的实验方案，应用多种不同的受体激动剂或拮抗剂、离子通道激动剂或阻滞剂等工具药物，评价药物对组织器官的作用及其机制研究，具有简单、高效、重现性好、节约用药量等特点。

离体血管张力实验一般分为血管条实验和血管环实验，再根据血管的直径分为大血管实验和微血管实验。与血管环相似，肠管、气管、输精管等管状组织器官的张力均可以制备成“条”或者“环”来对张力进行检测，其他组织器官也可以制成肌条以方便测量。

二、基于离体器官灌流的药物筛选

（一）离体心脏灌流

离体心脏灌流与离体血管实验类似，离体心脏灌流实验是指将动物心脏取出胸腔，连接上一个特定的灌流装置，用相应的缓冲液灌注其冠脉系统，使其在人工控制条件下自主跳动或人工起搏下收缩和舒张，从而能在体外较为直观地观察药物对心脏的作用。常用的方法包括Straub法、Langendorff 法和Working Heart法等。

Straub法是使用蟾蜍心脏进行灌流实验，装置较为简单，操作方便，但由于使用的是两栖动物的心脏，在药理研究中存在一定的局限性。Langendorff 法和Working Heart法是针对哺乳动物心脏的灌流方法。Langendorff法设计为逆行灌流，即将灌流液从主动脉灌流入冠脉。而Working Heart法是模拟心脏生理状态进行的离体心脏灌流，具有两套灌流系统。因此，Working Heart法更贴近体内生理情况，而Langendorff 法的操作更为简单。

（二）离体肾脏灌流

除心脏外，肾脏灌流等实验技术也可用于药物的活性筛选及作用机制研究。离体肾脏灌流技术是应用比较早的离体器官实验方法，最早被用来研究肾脏的生理和生化功能，目前主要用于研究药物肾脏排泄机制、药物肾脏代谢、排泄及药物的相互作用和肾功能等方面，对发现和评价药物肾脏排泄及其相互作用具有特别的价值。

用离体大鼠肾脏灌流模型发现和评价促尿酸排泄药物作用，条件易于控制，能排除在体情况下体内尿酸滤过负荷不同所造成的差异，同时与尿酸转运的细胞模型相比，更接近尿酸体内肾脏排泄过程，能架起促尿酸排泄药的体外发现和体内评价桥梁，可以成为促尿酸排泄候选药物发现和研发的一个有用工具。

（三）离体肝脏灌流

肝脏是机体主要的代谢器官。由于肝脏在药物及其他外源性物质代谢转化上的重要性，可采用一系列的体内、体外方法研究药物在肝脏的代谢特性。如肝脏灌流、肝切片、肝微粒体、肝细胞体外温孵、纯化酶制剂等。其中，肝脏灌流具有器官水平的优势，兼备体外实验和整体动物实验的优点，并能解决在其他的体外肝代谢模型和整体动物实验不能解决的难题，因此被广泛应用于药物研究。主要包括药物在肝脏的代谢研究、代谢动力学的研究、首过效应的研究、相互作用的研究、对胆汁分泌的作用以及对肝脏作用及其机制的研究等。

三、基于离体组织培养技术的药物筛选

组织培养（tissue culture），是把来自机体的细胞、组织或器官放于类似于体内的体外环境中使其存活和/或生长、增殖，可分为①细胞培养（cell culture）：指细胞在体外的生长、增殖，但培养中的细胞不再结合成组织；②组织培养：指组织在体外存活生长，并保持其结构和/或功能及进行分化；③器官培养（organ culture）：指器官的原基、全部或部分器官在体外的存活生长，并保持其结构和/或功能及进行分化。各种不同的组织培养在方法上虽有其不同和特殊要求，但它们又有共同的基本原则和技术。组织培养技术在药理学研究中占有重要地位，也是药物活性筛选及机制研究中的常规技术方法。

四、基于器官芯片技术的药物筛选

器官芯片（organs-on-a-chip）是指在体外建立的模拟人体生理或病理状态的小型组织或器官。器官芯片技术集合了工程化人体组织工程以及不同来源的成人体细胞培养等领域的最新研究进展，突破了现有细胞和动物模型的限制，将整个器官或系统的活动、力学特性、生理反应等体现在3D微流体细胞培养芯片上。器官芯片模型通过将人类细胞与生理相关微环境整合，模拟体外的人体生理或病理状态，为理解人类疾病的发病机制提供支持。器官芯片技术在临床前药物发现的一系列领域中具有重要的应用，如靶点识别和验证、基于靶点的筛选和表型筛选。尽管芯片上的器官模型有其局限性，但也为药物活性筛选及毒性评价提供了一个有力的工具。