「人體器官晶片」到底是什麼技術，竟牽動了這麼多頂級機構的心？

科技

2015-09-24 |

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相傳，「藥王神」神農氏為了給老百姓消災祛病，決心嘗百草，定藥性。神農氏遍嘗百草，多次中毒，最終因嘗試斷腸草而離世。不要以為這種事情只發生在神話裡，大名鼎鼎的Barry Marshall幹過更「出格」的事情。Marshall為了研究幽門螺旋桿菌的致病性，竟一口氣喝下一試管的幽門螺旋桿菌。最終，5天之後，他的目的達到了，差點因此病死。後來，他因為研究幽門螺旋桿菌的貢獻，獲得了2005年的諾貝爾生理醫學獎。

那些Marshall們之所以「捨得一身剮，喝毒試葯連眼睛都不眨」，就是因為那個時候技術落後，或者沒有合適的研究模型。後來，由於以身試毒實在是太危險，就抓來小白鼠啊、猴子啊等，讓它們去頂包「嘗百藥」。同時，為了研究新藥對人體的影響，科學家開始在培養皿裡培養人體細胞，看看這些新藥對人體細胞是不是有毒副作用。那些新藥只有過了這兩關，才可以進入人體臨床試驗。

但是小鼠和人類離體細胞並不能替人類把好試藥的大門。據統計，進入臨床試驗的新藥，通過臨床I期和III期的概率約為60%，通過臨床II期的概率僅為30%，這樣一來能夠順利通過三期臨床試驗的藥物僅有10.8%。那些在臨床上被KO掉的新藥，主要是因為療效不好，甚至是對人體有毒副作用。

90%的新藥都要被KO掉，這是多麼巨大的浪費。據統計，現在一種新藥上市，平均研發費用竟高達10億美元，歷時長達8-14年。必須找到一種更加迅速、有效的臨床前實驗方法，縮短藥物研發週期，降低研發費用。

人體器官晶片研發計劃

為了解決這一難題，2012年美國國立衛生研究中心（NIH）、美國食品和藥物管理局（FDA）和美國國防部高級研究計劃局（DARPA）聯合發起「organs-on-chips」（人體器官晶片）的研發工作，計劃投入7500萬美元。

再來看看參與研發團隊的陣容：哥倫比亞大學、康奈爾大學、杜克大學、哈佛大學、霍普金斯大學、麻省理工大學、威斯康辛大學、加州大學、華盛頓大學、範德堡大學、德克薩斯大學、匹茲堡大學、賓夕法尼亞大學等十餘所美國高校。

這個「organs-on-chips」到底是個什麼技術，竟牽動了這麼多頂級機構的心？

下面我們就拿走在前沿的哈佛大學Wyss研究所的創新性工作，詳解「organs-on-chips」技術。

在新藥的臨床前實驗中，使用小白鼠模型能夠瞭解新藥對整體的影響，但不能很好的反應新藥對人體的影響；使用體外培養的人體細胞，能夠瞭解新藥對人體的影響，卻又缺乏整體的把握。因此，早在10多年前，康奈爾大學的Mike Shuler首次提出了，用人體不同器官的細胞在晶片上構建人體組織，模擬人體環境的設想。

以Wyss研究所開發的肺晶片，詳解晶片的基本結構

Wyss研究所使用了製作電腦晶片的技術，將活的人體器官細胞植入到晶片上，同時晶片可以模擬細胞在人體內的環境。在晶片的槽道中有三個並列的流體通道，兩邊的通道是真空通道，中間的通道是植入細胞的通道。

在中間通道的正中間有一層有透性的生物膜，薄膜上佈滿小孔。在薄膜的上面鋪滿一層肺細胞，薄膜的另一面鋪滿血管細胞。因此，薄膜上面可以流通空氣，下面可以流通血液。另外，兩側的真空通道可以收縮，同時帶動中間的通道一同收縮，於是肺細胞也跟著收縮，這就模擬了人體肺泡在呼吸過程中的收縮生理過程。

人體晶片的結構

那麼它的工作原理是什麼？

Wyss研究所用白細胞抵禦細菌入侵，詳細的解釋了肺晶片在科研中的應用。

人體晶片的工作原理

當我們要模擬肺部感染的時候，我們可以在鋪有肺細胞的上層通道釋放病原菌；然後在下層通道裡加入人體白細胞。當白細胞感覺到病原菌侵入時，它們會從血液中進入肺部，吞噬病原菌。如果你要整個免疫過程是可視化的，你可以對白細胞進行標記，然後你就可以在顯微鏡下看到白細胞在血道中穿梭，然後穿過薄膜上的小孔，吞噬侵染肺細胞的病原菌（被綠色標記）。如此一來，整個研究過程就變得可視化了。

有沒有覺得這項技術很神奇。當然，上面所描述的人體免疫過程只是其中一方面的應用。Wyss研究所的科學家們顯然對此並不滿足，現在他們已經開發出了多款器官晶片。並期望通過這項技術可以深入的瞭解藥品、化學物質、食物甚至是化妝品對人體的影響。

目前Wyss研究所的科學家已經組建了一家專門研究人體器官晶片的公司–Emulate Inc。這家公司創立之初便獲得DARPA的3700萬美元的撥款，以及1200萬美元的A輪融資。除了肺之外，他們已經開發出了腸、肝、腎的晶片，以及皮膚、眼睛和血腦屏障系統。

目前，模擬人體晶片的用途廣泛。例如：瞭解新藥靶標的生物機制，為疾病的研究提供新的視角，預測新葯的有效性和安全性，探索物種的差異性和意外的臨床表現，減少、精細化以及取代動物試驗，臨床診斷的發展，個性化醫療的應用等。