長“器官”的芯片，來了！它還是未來的“萬能試藥員”

近日，東南大學(xué)顧忠澤團隊研發(fā)的人工血管芯片用于神舟十五號航天員在軌實驗操作。這不僅是我國首次在空間站在軌實施的器官芯片項目，也是國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’，將人源細胞或干細胞注入其中，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的心臟、代謝的肝臟、呼吸的肺……

顧忠澤團隊研發(fā)的器官芯片。圖源：科技日報

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

01 器官芯片的緣起：不可或缺的動物實驗

一個人的一生都會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、動物模型的研究、人體臨床試驗、市場批準等幾個步驟，既耗時，成本又高。一種藥物的研發(fā)，往往要花費十余年的時間和高額的成本。

如果你喜歡養(yǎng)小動物，那你一定知道，想要保護它的健康和活力，就需要盡可能還原它們所處的原生環(huán)境，即它們再大自然中的生存環(huán)境。細胞也是如此。

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

器官芯片的雛形，始于21世紀初。2011年，美國成立了微生理系統(tǒng)聯(lián)盟，啟動器官芯片研發(fā)，希望用其替代動物進行藥物測試。

02 器官芯片及其本質(zhì)特點

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胞、組織界面、生物流體和機械力刺激等體內(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，但芯片中的細胞類型和結(jié)構(gòu)能夠模擬真實的器官環(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)有以下三個特點：

第一，具有3D排列結(jié)構(gòu)

第二，具有多種細胞類型以反映細胞間的更多生理平衡

第三，使用與芯片模型相關(guān)的機械力

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)對微量流體進行準確操控的技術(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 器官芯片相較于動物實驗的優(yōu)勢

相較于動物實驗，器官芯片特色明顯：

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

其次，一只模式動物一般只能做一種藥物試驗，而一個器官芯片上多則有幾百上千個獨立測試的單元，可以進行幾種或幾十種藥物的多濃度試驗；

另外，器官芯片由人體細胞組織構(gòu)成，和人體對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”接受藥物實驗，從而加速藥物研發(fā)進程，為精準醫(yī)療提供解決方案。

此外，器官芯片不僅可用于評估相關(guān)藥物對人體的有效性，還可以針對環(huán)境中的有毒、有害物質(zhì)進行評價。

綜合來源：科技日報、EFL、中國機械工程學(xué)會