科技日報(bào)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(shí)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(kuò)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?！辈ㄊ款D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(shí)驗(yàn)，但動物實(shí)驗(yàn)在確定人類治療方法方面表現(xiàn)不佳：通過動物實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)，器官芯片這一概念出現(xiàn)已有30年。有許多團(tuán)隊(duì)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(yù)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(bǔ)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(jì)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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)劃局和美國食品及藥物管理局（FDA）等其他機(jī)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(yàn)，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(diǎn)。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?？茖W(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(shí)驗(yàn)室對動物的需求，并改善大量人類疾病相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
最終，這些器官芯片可能真正改變世界各地的實(shí)驗(yàn)室。
