以“芯片”為地基，用細胞做“磚瓦”，流動的“血管”、跳動的“心臟”、呼吸的“肺”……一系列微型器官在方寸之地生長并運行。這不是科幻片中的場景，而是即將改變你我生活的器官芯片。
把細胞“種”在芯片上
通常而言，我們談到的芯片指硅基芯片，是以半導(dǎo)體硅為基底制造的微型電子電路，可以高效處理二進制信息，實現(xiàn)復(fù)雜的計算任務(wù)。
在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域有一種新型“芯片”，電子線路被流體流動的通道取代，由干細胞、生物材料、納米加工等技術(shù)交叉集成。研究人員借鑒計算機芯片的制造方法，注入某一人體目標器官細胞，利用不同的通道輸入氧氣、培養(yǎng)液等，營造出接近體內(nèi)的生長環(huán)境，搭建出一個個迷你器官。
與電子芯片的物理形態(tài)和制作工藝類似，器官芯片通常也是在微小透明薄片上“雕刻”出通道和腔室，研究人員利用微流控技術(shù)在微管道里精準操控微小流體；與電子芯片的設(shè)計理念和集成度類似，器官芯片也能在方寸之間集成多種復(fù)雜器官功能；與電子芯片的標準化、模塊化、高通量特性類似，不同芯片可模擬不同器官，甚至可以像多個電子芯片模塊化組成“人體芯片”，進行藥物高通量研發(fā)測試。因此，器官芯片可以說是對芯片概念的延伸。
年前后，第一個功能齊全的器官芯片——“肺芯片”在美國問世。在中國，東南大學(xué)蘇州醫(yī)療器械研究院院長顧忠澤帶領(lǐng)團隊研究器官芯片已十余年。他介紹說，器官芯片可以模擬人體不同組織器官的主要結(jié)構(gòu)功能特征以及復(fù)雜的聯(lián)系，用來預(yù)測人體對藥物或外界刺激產(chǎn)生的反應(yīng)。
器官芯片主體由高分子材料構(gòu)成，透明且輕盈，這一特性便于光學(xué)觀察。芯片內(nèi)部大多是紅、藍兩條通道，便于區(qū)分和直觀表現(xiàn)氧氣和培養(yǎng)液等流體，液體流經(jīng)被注入的器官細胞核組織時就像在活體器官中流動一樣，用來模擬血液流經(jīng)微血管的變化。其實除了紅、藍通道外，芯片內(nèi)也可以分布多條“微通道”與“微腔室”來模擬更為復(fù)雜的生理環(huán)境。當芯片接入動力裝置，通過人為控制電、熱、生化等環(huán)境，就可以用來測試藥物的有效性和安全性，進行疾病和藥理研究。
東南大學(xué)研發(fā)的可變色“心臟芯片”。新華社記者孫參攝
更貼近人源的“替代方案”
長期以來，動物實驗被默認為進行藥物毒性、安全性和藥物代謝動力學(xué)實驗的基礎(chǔ)實驗環(huán)節(jié)，也是藥品從研發(fā)走向市場的必要環(huán)節(jié)。
盡管以小鼠為代表的動物和人在基因組上具有一定相似性，但普遍認為只有在非人靈長類動物（猴類）的測試中取得了安全性和有效性的測試才最接近人的安全。動物模型與人類生物系統(tǒng)存在藥物基因組以及遺傳多樣性差異，基于動物的實驗難以真實模擬人類生理結(jié)構(gòu)和功能。
無論是從科學(xué)研究的準確性，還是從“去動物化”的人道主義關(guān)懷角度，單純動物醫(yī)學(xué)實驗難以滿足研發(fā)需求，成本更低、更高效、更具倫理接受度的替代方案正成為行業(yè)呼聲。器官芯片的誕生為解決現(xiàn)存問題提供了新思路，有望成為替代動物的新方案。
首先，相較于動物模型，源于人體細胞組織的器官芯片高度模擬人體器官的結(jié)構(gòu)和功能，有效解決了種屬差異的問題，基因表達更還原人體結(jié)構(gòu)。并且，器官芯片更貼近體內(nèi)環(huán)境，能為藥物測試和疾病診斷提供更具參考價值的生理數(shù)據(jù)。人體器官芯片發(fā)明者、哈佛大學(xué)生物啟發(fā)工程懷斯研究所所長唐納德·英格伯曾以肝臟芯片為例進行研究，結(jié)果顯示，在預(yù)測藥物誘導(dǎo)的肝損傷反應(yīng)方面，肝臟芯片的準確性比動物高出7至8倍。
其次，器官芯片具備高通量類器官培養(yǎng)和藥物篩選的獨特能力。所謂高通量是指在一定時間內(nèi)處理、傳輸或生成大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力。高通量器官芯片能集成多個單一器官芯片實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)篩選，減少樣本與試劑用量，大幅提升效率。有數(shù)據(jù)顯示，使用高通量的器官芯片做分析，300塊就可以輕松完成一萬次檢測，可以替代一萬只動物。高通量器官芯片大幅縮短檢測周期，以100個化合物為例，使用動物模型，檢測周期是90至180天，使用高通量器官芯片只需6天。同時，作為誕生在生物學(xué)工程學(xué)交叉領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，高通量器官芯片還可以配合AI數(shù)據(jù)分析，更精準發(fā)現(xiàn)藥物靶點，在藥物研發(fā)中實現(xiàn)快速設(shè)計、驗證與迭代。
以“芯”試藥打破“雙十定律”
藥物研發(fā)存在一條著名的“雙十定律”，即新藥研發(fā)需要花費10多年時間、平均研發(fā)成本超過10億美元。美國塔夫茨大學(xué)藥物開發(fā)研究中心的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，每個新藥進入市場的平均成本約為26億美元，從首次合成到上市平均耗時128個月。
深圳逸芯生命科學(xué)有限公司是中國從事器官芯片技術(shù)的前沿企業(yè)之一，創(chuàng)始人劉杰表示，相對于動物模型，器官芯片成本只有10%至20%，被認為是最有可能作為體外疾病模型指導(dǎo)新藥開發(fā)的前沿技術(shù)之一，在準確性、時間、成本上具有明顯優(yōu)勢。
除了節(jié)約時間與金錢成本，體外器官芯片還可以作為替身為患者試藥，在藥物測試方面具有明顯優(yōu)勢。眾所周知，腫瘤藥物對人體的毒副作用較大，但借助器官芯片，可以把腫瘤患者的細胞“種”到芯片上，通過體外作用藥測試，在不傷害患者的前提下精準監(jiān)測藥物的有效性和安全性，從而為臨床精準醫(yī)療提供保障。
除此之外，器官芯片還是對現(xiàn)有藥物研發(fā)體系的補充，以往藥物正式上市前需要大量的臨床前和臨床研究，周期長成本高，而器官芯片在臨床前就可以排除“錯誤答案”，大大縮短了研發(fā)周期、降低了研發(fā)成本。
器官芯片不僅是生物醫(yī)學(xué)的突破，更是多學(xué)科集成創(chuàng)新的結(jié)晶。全球細分行業(yè)調(diào)研機構(gòu)恒州博智（QYResearch）發(fā)布報告，預(yù)計2024年至2030年，全球器官芯片市場年復(fù)合增長率為31.2%。
盡管面向藍海，但新技術(shù)的推廣并非坦途，從科學(xué)實驗到實際應(yīng)用仍有一段路要走。
編輯：郭成
