科技日報記者 張夢然
輪狀病毒感染會導(dǎo)致幼兒嚴(yán)重腹瀉、嘔吐、脫水甚至死亡。在一些國家，高達(dá)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(chǎn)生免疫力。這一驚人的偏差，是由于研發(fā)時樣本代表性不足造成的。
美國弗吉尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院兒科胃腸病學(xué)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。
器官芯片是一種微流體裝置，可創(chuàng)造類似于人體內(nèi)的條件。圖片來源：哈佛大學(xué)韋斯研究所
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(jié)構(gòu)復(fù)雜，布滿微小的通道，內(nèi)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(guān)鍵器官功能。
這些器官芯片已被用于研究疾病、發(fā)現(xiàn)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(jìn)，其可能會給醫(yī)學(xué)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(shù)公司Emulate的藥理學(xué)家兼首席科學(xué)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?！?/p>
為此，肖恩·摩爾一直用小鼠進(jìn)行大量實驗，但動物實驗在確定人類治療方法方面表現(xiàn)不佳：通過動物實驗開發(fā)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(zhuǎn)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(xué)韋斯生物啟發(fā)工程研究所創(chuàng)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(xiàn)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(rèn)為，該領(lǐng)域的先驅(qū)是康奈爾大學(xué)化學(xué)工程名譽教授邁克爾·舒勒。
20世紀(jì)80年代，舒勒設(shè)想了一種“芯片上的動物”，即一個嫁接了各種人類細(xì)胞的細(xì)胞培養(yǎng)基，可用于測試藥物。他想將不同的器官細(xì)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(xué)交流以及藥物在體內(nèi)的移動方式。
這個活細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)想，在當(dāng)時可謂填補了空白。
治療人類疾病需要更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)
在這一基礎(chǔ)上，麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)創(chuàng)始教授琳達(dá)·格里菲斯，在20世紀(jì)90年代末設(shè)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(nèi)皮細(xì)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(xì)胞放入芯片，這些細(xì)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(nèi)膜異位癥，這種炎癥性疾病導(dǎo)致子宮內(nèi)膜細(xì)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(fù)手術(shù)的折磨。作為一名科學(xué)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(dāng)。她也意識到，數(shù)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(rèn)為，老鼠無法真正復(fù)制人類癥狀，醫(yī)學(xué)界更需要人類細(xì)胞的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
2009年前后，唐·英格伯實驗室創(chuàng)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(nèi)襯有人類肺細(xì)胞和毛細(xì)血管細(xì)胞，能像人肺中的肺泡一樣“呼吸”。幾年后，英格伯創(chuàng)立了Emulate公司，這是最早制造微生理系統(tǒng)的生物技術(shù)公司之一。
器官芯片或徹底改變醫(yī)藥研發(fā)
目前，全球已有60多家公司商業(yè)化生產(chǎn)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(guān)器官的一些特定功能。例如備受關(guān)注的心臟芯片，其包含像心肌一樣跳動的心臟細(xì)胞，使研究人員能夠模擬心肌病等疾病。
麻省理工學(xué)院研究人員設(shè)計的微流體平臺連接了多達(dá)10個器官的工程組織。圖片來源：菲利斯·弗蘭克爾/麻省理工學(xué)院
2011年，美國國立衛(wèi)生研究院成立了國家轉(zhuǎn)化科學(xué)促進(jìn)中心，并開始投資器官芯片和其他體外技術(shù)。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(gòu)也紛紛效仿。例如，美國國立衛(wèi)生研究院最近資助美國國家航空航天局科學(xué)家將“心臟芯片”送入太空。在低重力環(huán)境下待6個月可使心血管系統(tǒng)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(rèn)為，器官芯片將徹底改變罕見病研究領(lǐng)域。相當(dāng)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(fā)的”。
舒勒的生物技術(shù)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，F(xiàn)DA根據(jù)這些數(shù)據(jù)批準(zhǔn)了該藥物進(jìn)行臨床試驗，這是迄今為止進(jìn)入該階段的6種藥物之一。
芯片技術(shù)雖然先進(jìn)，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(zhàn)。但從好的方面來看，器官芯片可幫助解決醫(yī)學(xué)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(fā)樣本不均衡難題。科學(xué)家也能創(chuàng)建更全面的醫(yī)療系統(tǒng)。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(guān)實驗結(jié)果。
最終，這些器官芯片可能真正改變世界各地的實驗室。
