魔幻現實主義科技：存在于芯片中的人體器官

來源：生物谷作者：人氣：-發表時間：2015-08-10 09:45:00【大中小】

新藥研發和試驗是一個漫長且耗資巨大的過程。為了制造出前景無限的化合物或者分子，科學家需要進行海量研究。此后，他們還要在動物身上進行試驗，如果安全有效則會在人體上進行臨床試驗。在這個過程中，科學家需要觀察藥物的安全性和療效，以及合適的用藥劑量。

過去很長一段時間內，科學家一直努力試圖簡化或者加速這個流程。為此，他們在小型芯片上模擬出人體器官（人工排列人體活細胞，使其模擬完整器官的功能和結構）。這就是所謂的“芯片仿真人體器官系統”（organ-on-a-chip systems）。在未來的某一天，這個系統也許會代替動物試驗，同時減少人體試驗所需要的步驟和時間。

這是一個“真實”的肺臟，但它不是真的

計算機的微芯片由硅樹脂材料打造而成，而芯片仿真人體器官也建造于這樣的材料之上：科學向經過專門蝕刻打造的模具中澆筑液態硅膠，模具上有很多槽道，因此硅樹脂芯片上也就多了很多槽道。在這些槽道里，科學家安置培育了很多人體細胞。這些細胞從槽道的底部生長，而培養液則會在槽道中流動以便為細胞輸送營養。于是，科學家就可以在培養液中加入等待測試的新藥或者其他物質，觀察其與細胞結合之后的情況。

一般而言，最基礎的芯片仿真人體器官僅培育一種類型的細胞。為了模擬不同器官一起工作的狀態，科學家需要為基礎版本芯片仿真人體器官增加新的功能和特性。比如哈佛大學維斯生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）研發的芯片仿真肺部器官復雜度更高，可以模擬具有呼吸功能的肺部。在他們的實驗中，工作人員用薄膜隔開了硅樹脂芯片上的槽道，使其構成了兩個隔室。接著，他們在每個隔室中放入了兩種不同類型的肺部細胞：一種可以與薄膜頂部空氣完成氣體交換，一種可以與隔室底部血液完成氣體交換。

為了讓這個芯片仿真肺部器官具備呼吸功能，科學家不斷向隔室頂部輸送空氣，同時在隔室底部用液體模仿人體的血液流動。這樣一來，他們就可以觀察空氣中哪種分子可以進入肺部和血液中。這個過程模擬的其實就是人體從空氣中獲取氧氣，然后將氧氣儲存于血液中并輸送給全身細胞。

在另一個實驗中，哈佛大學的科學家還展示了一種抗癌癥藥物對人體的侵害——這種藥物會導致液體從薄膜的血液一側流向空氣一側。在人體中，這種藥物會使患者肺部充滿液體，從而導致呼吸困難。

生物技術公司和制藥公司之間的合作為我們帶來了芯片仿真人體器官系統，以便加速藥品測試過程。據報道，荷蘭生物技術公司Mimetas研發了一種芯片仿真腎臟器官，而三家制藥公司已經準備好利用這款產品測試自己的新藥。

另外，強生也已經對外宣布，計劃利用美國馬薩諸塞州生物技術公司Emulate的芯片仿真人體器官系統進行藥物試驗。值得一提的是，Emulate公司隸屬于哈佛大學維斯生物工程研究所。報道稱，強生已經開始在模擬人體血栓的芯片仿真人體器官系統上測試藥物，還計劃利用芯片仿真肝部來觀察藥物對人體肝臟是否有損傷。血栓和肝臟損害是藥物常見的潛在副作用，通過芯片仿真人體器官，我們就能更早地發現藥物的潛在危害。

芯片仿真人體器官：潛力無限的未來技術

從目前的情況來看，芯片仿真人體器官系統具有極大的潛力，能從很多方面改進現行的藥物檢測流程。

首先，在藥物試驗中，芯片仿真人體器官明顯優于培養皿。科學家在肺癌的芯片仿真人體器官模型中進行藥物檢測時發現，芯片仿真人體器官系統預測的最有效劑量和人體臨床檢測中發現的最有效劑量最為接近，預測結果比培養皿中細胞常規測試中的預測結果要精準很多。這是因為，培養皿中的細胞都平鋪在一個平面上，而芯片仿真人體器官系統能夠更好地再現人體的三維機構。對于研究類似于大腦這樣的復雜器官或者胎盤這樣很難在其工作時開展研究的器官而言，重現三維結構極為重要。

另外，這項新的技術在精確度上也優于動物試驗。利用芯片仿真人體器官系統檢測新藥得到的結果比利用動物模型檢測得到的結果精確度更高。動物研究得出的檢測結果可能具有誤導性：有的藥物在動物身上出現不好的副作用，但是在人體上卻沒有這樣的問題（扼殺了一款優秀藥物步入市場）；有的藥物在動物身上沒有任何問題，但是在人體卻會產生副作用（導致昂貴的臨床試驗失敗，或者更糟糕的情況下會導致公眾遭受藥物有害的副作用）。

當然，作為一項研發中的技術，芯片仿真人體器官系統還有一些重大障礙需要克服。首先，芯片仿真人體器官的復雜度終究比不過人體真實器官，而且該系統也無法模擬真實器官被人體內其他不相鄰器官干擾影響的狀態。比如，芯片仿真人體器官可能無法完全模擬激素（例如胰島素）改變人類肌肉中細胞行為的復雜模式。另外科學家還在進行測試，試圖查清現有的藥物是否能以我們期望的方式在芯片仿真人體器官系統上發揮作用。

不過這些障礙并不妨礙人們對新技術的熱情。很多制藥公司和美國國立衛生研究院下屬的美國國家轉化科學促進中心（NCATS）也參與了研發。據悉NCATS投入大量資金，資助了11款芯片仿真人體器官系統的開發過程。如果芯片仿真人體器官能夠證明自身在測試藥物過程中的優點，那么這款技術便能提高藥物研發的速度、精準度和性價比。這將是醫學領域的重大改變，而且正在逐步變成現實。