長(zhǎng)“器官”的芯片，來(lái)了！它還是未來(lái)的“萬(wàn)能試藥員”

近日，東南大學(xué)顧忠澤團(tuán)隊(duì)研發(fā)的人工血管芯片用于神舟十五號(hào)航天員在軌實(shí)驗(yàn)操作。這不僅是我國(guó)首次在空間站在軌實(shí)施的器官芯片項(xiàng)目，也是國(guó)際上首例人工血管組織芯片研究。

在這塊巴掌大小的高分子材料里，我們借助3D打印、納米加工等技術(shù)，蓋出模擬人體環(huán)境的‘房子’，將人源細(xì)胞或干細(xì)胞注入其中，再給‘房子’輸送氧氣、培養(yǎng)液。兩三周后，就能在‘房子’里得到模擬人類器官組織的跳動(dòng)的心臟、代謝的肝臟、呼吸的肺……

顧忠澤團(tuán)隊(duì)研發(fā)的器官芯片。圖源：科技日?qǐng)?bào)

其實(shí)，器官芯片的意義不止于此，它不僅“涵養(yǎng)”著人體細(xì)胞組織，還承載著人類對(duì)藥物研發(fā)的希望和對(duì)生命健康的求索。

01 器官芯片的緣起：不可或缺的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

一個(gè)人的一生都會(huì)或多或少的用到藥物，而研發(fā)一種藥物，需要經(jīng)歷候選藥物的確定、動(dòng)物模型的研究、人體臨床試驗(yàn)、市場(chǎng)批準(zhǔn)等幾個(gè)步驟，既耗時(shí)，成本又高。一種藥物的研發(fā)，往往要花費(fèi)十余年的時(shí)間和高額的成本。

如果你喜歡養(yǎng)小動(dòng)物，那你一定知道，想要保護(hù)它的健康和活力，就需要盡可能還原它們所處的原生環(huán)境，即它們?cè)俅笞匀恢械纳姝h(huán)境。細(xì)胞也是如此。

傳統(tǒng)的培養(yǎng)基很難制造出真實(shí)的細(xì)胞生存條件，從而無(wú)法研究藥品對(duì)細(xì)胞的作用結(jié)果。于是，科學(xué)家把目光投向了小白鼠、兔子、猴子等動(dòng)物的身上，以圖利用它們與人類類似的器官結(jié)構(gòu)來(lái)完成藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)。

器官芯片的雛形，始于21世紀(jì)初。2011年，美國(guó)成立了微生理系統(tǒng)聯(lián)盟，啟動(dòng)器官芯片研發(fā)，希望用其替代動(dòng)物進(jìn)行藥物測(cè)試。

02 器官芯片及其本質(zhì)特點(diǎn)

器官芯片（Organ-on-a-chip）器官芯片通常由仿生材料制成，以微流控芯片為核心，在體外構(gòu)建涵蓋有多種活體細(xì)胞、組織界面、生物流體和機(jī)械力刺激等體內(nèi)器官微環(huán)境因素的仿生系統(tǒng)，甚至是病理環(huán)境。

器官芯片的外形與器官并不相似，但芯片中的細(xì)胞類型和結(jié)構(gòu)能夠模擬真實(shí)的器官環(huán)境。如肺器官芯片、心臟芯片、腦芯片、肝臟芯片，甚至是多個(gè)芯片模塊相結(jié)合的多器官芯片。這些不同的器官芯片，本質(zhì)有以下三個(gè)特點(diǎn)：

第一，具有3D排列結(jié)構(gòu)

第二，具有多種細(xì)胞類型以反映細(xì)胞間的更多生理平衡

第三，使用與芯片模型相關(guān)的機(jī)械力

03 微流控技術(shù)

器官芯片采用的技術(shù)稱微流控技術(shù)。微流控是一種在集成的微通道內(nèi)對(duì)微量流體進(jìn)行準(zhǔn)確操控的技術(shù)。根據(jù)不同的需求，能夠靈活制備出不同構(gòu)型的功能材料。

由于人體有很多微觀結(jié)構(gòu)的尺寸，如血管、肌纖維等，與微流控技術(shù)的尺寸相匹配。因此，微流控在仿生材料的制備中展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力。

04 器官芯片相較于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

相較于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，器官芯片特色明顯：

首先，構(gòu)建一個(gè)動(dòng)物疾病模型一般需要3至6個(gè)月，甚至數(shù)年，但制造一個(gè)器官芯片一般僅需兩三周；

其次，一只模式動(dòng)物一般只能做一種藥物試驗(yàn)，而一個(gè)器官芯片上多則有幾百上千個(gè)獨(dú)立測(cè)試的單元，可以進(jìn)行幾種或幾十種藥物的多濃度試驗(yàn)；

另外，器官芯片由人體細(xì)胞組織構(gòu)成，和人體對(duì)藥物及病原體的反應(yīng)高度一致。

由于具有人源性、成本低、培養(yǎng)周期短等特性，器官芯片可以作為人體組織的“替身”接受藥物實(shí)驗(yàn)，從而加速藥物研發(fā)進(jìn)程，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供解決方案。

此外，器官芯片不僅可用于評(píng)估相關(guān)藥物對(duì)人體的有效性，還可以針對(duì)環(huán)境中的有毒、有害物質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

綜合來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)、EFL、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)