长“器官”的芯片，来了！它还是未来的“万能试药员”

近日，东南大学顾忠泽团队研发的人工血管芯片用于神舟十五号航天员在轨实验操作。这不仅是我国首次在空间站在轨实施的器官芯片项目，也是国际上首例人工血管组织芯片研究。

在这块巴掌大小的高分子材料里，我们借助3D打印、纳米加工等技术，盖出模拟人体环境的‘房子’，将人源细胞或干细胞注入其中，再给‘房子’输送氧气、培养液。两三周后，就能在‘房子’里得到模拟人类器官组织的跳动的心脏、代谢的肝脏、呼吸的肺……

顾忠泽团队研发的器官芯片。图源：科技日报

其实，器官芯片的意义不止于此，它不仅“涵养”着人体细胞组织，还承载着人类对药物研发的希望和对生命健康的求索。

01 器官芯片的缘起：不可或缺的动物实验

一个人的一生都会或多或少的用到药物，而研发一种药物，需要经历候选药物的确定、动物模型的研究、人体临床试验、市场批准等几个步骤，既耗时，成本又高。一种药物的研发，往往要花费十余年的时间和高额的成本。

如果你喜欢养小动物，那你一定知道，想要保护它的健康和活力，就需要尽可能还原它们所处的原生环境，即它们再大自然中的生存环境。细胞也是如此。

传统的培养基很难制造出真实的细胞生存条件，从而无法研究药品对细胞的作用结果。于是，科学家把目光投向了小白鼠、兔子、猴子等动物的身上，以图利用它们与人类类似的器官结构来完成药理学实验。

器官芯片的雏形，始于21世纪初。2011年，美国成立了微生理系统联盟，启动器官芯片研发，希望用其替代动物进行药物测试。

02 器官芯片及其本质特点

器官芯片（Organ-on-a-chip）器官芯片通常由仿生材料制成，以微流控芯片为核心，在体外构建涵盖有多种活体细胞、组织界面、生物流体和机械力刺激等体内器官微环境因素的仿生系统，甚至是病理环境。

器官芯片的外形与器官并不相似，但芯片中的细胞类型和结构能够模拟真实的器官环境。如肺器官芯片、心脏芯片、脑芯片、肝脏芯片，甚至是多个芯片模块相结合的多器官芯片。这些不同的器官芯片，本质有以下三个特点：

第一，具有3D排列结构

第二，具有多种细胞类型以反映细胞间的更多生理平衡

第三，使用与芯片模型相关的机械力

03 微流控技术

器官芯片采用的技术称微流控技术。微流控是一种在集成的微通道内对微量流体进行准确操控的技术。根据不同的需求，能够灵活制备出不同构型的功能材料。

由于人体有很多微观结构的尺寸，如血管、肌纤维等，与微流控技术的尺寸相匹配。因此，微流控在仿生材料的制备中展现出了良好的应用潜力。

04 器官芯片相较于动物实验的优势

相较于动物实验，器官芯片特色明显：

首先，构建一个动物疾病模型一般需要3至6个月，甚至数年，但制造一个器官芯片一般仅需两三周；

其次，一只模式动物一般只能做一种药物试验，而一个器官芯片上多则有几百上千个独立测试的单元，可以进行几种或几十种药物的多浓度试验；

另外，器官芯片由人体细胞组织构成，和人体对药物及病原体的反应高度一致。

由于具有人源性、成本低、培养周期短等特性，器官芯片可以作为人体组织的“替身”接受药物实验，从而加速药物研发进程，为精准医疗提供解决方案。

此外，器官芯片不仅可用于评估相关药物对人体的有效性，还可以针对环境中的有毒、有害物质进行评价。

综合来源：科技日报、EFL、中国机械工程学会