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器官芯片走向研發測試“舞臺中心”

2024-08-16 13:45:42 來源：科技日報

輪狀病毒感染會導致幼兒嚴重腹瀉、嘔吐、脫水甚至死亡。在一些國家，高達98%的接種輪狀病毒疫苗的兒童會獲得終身免疫力。但在另一些國家，只有大約三分之一接種疫苗的兒童會產生免疫力。這一驚人的偏差，是由于研發時樣本代表性不足造成的。

美國弗吉尼亞大學醫學院兒科胃腸病學家肖恩·摩爾希望“器官芯片”能幫助他解決這個特別棘手的問題。

器官芯片看起來非常普通：一片矩形的柔性聚合物壓片，大小與U盤差不多。實際上，它們是生物工程的杰作——結構復雜，布滿微小的通道，內襯活體人體組織。它們能隨著液體和空氣的流動而擴張和收縮，能模仿呼吸、血流和蠕動等關鍵器官功能。

這些器官芯片已被用于研究疾病、發現和測試新藥以及探索個性化治療方法。隨著器官芯片不斷改進，其可能會給醫學界帶來翻天覆地的改變。

動物模型存在缺陷

“制造藥物時，你需要做3件事。”波士頓生物技術公司Emulate的藥理學家兼首席科學官洛娜·尤爾特說，“你需要證明它是安全的。你需要證明它是有效的。你需要有能力制造它。”

為此，肖恩·摩爾一直用小鼠進行大量實驗，但動物實驗在確定人類治療方法方面表現不佳：通過動物實驗開發的藥物中，約有95%在人體上失敗。研究人員至少從1962年開始就記錄了這一轉化上的差距。

“所有制藥公司都知道，動物模型其實很糟糕。”哈佛大學韋斯生物啟發工程研究所創始人唐·英格伯這樣說。

直到最近，人們終于有了其他選擇——器官芯片，其正在提供一種真正可行的替代方案。

其實，器官芯片這一概念出現已有30年。有許多團隊曾致力于器官芯片的研究，人們普遍認為，該領域的先驅是康奈爾大學化學工程名譽教授邁克爾·舒勒。

20世紀80年代，舒勒設想了一種“芯片上的動物”，即一個嫁接了各種人類細胞的細胞培養基，可用于測試藥物。他想將不同的器官細胞放在同一個芯片上，相互連接，這樣就能模擬器官之間的化學交流以及藥物在體內的移動方式。

這個活細胞培養系統的設想，在當時可謂填補了空白。

治療人類疾病需要更準確數據

在這一基礎上，麻省理工學院生物工程學創始教授琳達·格里菲斯，在20世紀90年代末設計了一種“肝臟芯片”的早期版本：一塊扁平的硅芯片，只有幾百微米高，內皮細胞、氧氣和液體通過泵、硅膠管和帶有微孔的聚合物膜流入和流出。她將肝細胞放入芯片，這些細胞自行排列成三維組織。這不是肝臟，但它能模擬正常人體肝臟的部分功能。

格里菲斯能感同身受器官芯片的重要性。她本人患有子宮內膜異位癥，這種炎癥性疾病導致子宮內膜細胞在整個腹部生長。幾十年來，她一直忍受著惡心、疼痛、失血和反復手術的折磨。作為一名科學家，格里菲斯明白，影響女性的慢性病往往研究不足、資金缺乏、治療不當。她也意識到，數十年的動物實驗，并沒有為像她這樣的女性帶來任何生活改善。她認為，老鼠無法真正復制人類癥狀，醫學界更需要人類細胞的準確數據。

2009年前后，唐·英格伯實驗室創造了第一個功能齊全的器官芯片。它是一個“芯片上的肺”，由柔性硅膠制成，內襯有人類肺細胞和毛細血管細胞，能像人肺中的肺泡一樣“呼吸”。幾年后，英格伯創立了Emulate公司，這是最早制造微生理系統的生物技術公司之一。

器官芯片或徹底改變醫藥研發

目前，全球已有60多家公司商業化生產器官芯片，主要針對五大器官：肝臟、腎臟、肺、腸和腦。

這些芯片每一種都展示了相關器官的一些特定功能。例如備受關注的心臟芯片，其包含像心肌一樣跳動的心臟細胞，使研究人員能夠模擬心肌病等疾病。

2011年，美國國立衛生研究院成立了國家轉化科學促進中心，并開始投資器官芯片和其他體外技術。國防部高級研究計劃局和美國食品及藥物管理局(FDA)等其他機構也紛紛效仿。例如，美國國立衛生研究院最近資助美國國家航空航天局科學家將“心臟芯片”送入太空。在低重力環境下待6個月可使心血管系統衰老10歲，這項實驗可讓研究人員可在不傷害動物或人類的情況下研究衰老的影響。

舒勒認為，器官芯片將徹底改變罕見病研究領域。相當于“將藥物送到患者手中，而這在目前的制藥模式中是無法開發的”。

舒勒的生物技術公司使用器官芯片測試了一種治療重癥肌無力的潛在藥物。2022年，FDA根據這些數據批準了該藥物進行臨床試驗，這是迄今為止進入該階段的6種藥物之一。

芯片技術雖然先進，但也存在一些缺點。譬如用戶友好性方面還不盡如人意，又譬如成本和采購也可能是一個挑戰。但從好的方面來看，器官芯片可幫助解決醫學界一些根深蒂固的健康不平等問題，譬如本文開篇中摩爾面臨的疫苗研發樣本不均衡難題。科學家也能創建更全面的醫療系統。同時，這些芯片還將減少實驗室對動物的需求，并改善大量人類疾病相關實驗結果。

最終，這些器官芯片可能真正改變世界各地的實驗室。

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