半月谈记者 刘巍巍
器官芯片是近年来诞生的一项变革性生物医学技术,2016年被世界经济论坛列为十大新兴技术之一。在这个具有颠覆性意义的技术领域,我国科研人员持续创新,不断攻克关键核心技术,瞄准未来产业，在国际竞技场上展现出中国智慧的澎湃力量。
“盖”出模拟人体环境的“房子”
器官芯片的目的,是利用芯片构建和模拟人体组织微环境。在位于江苏苏州高新区太湖科学城功能片区的东南大学苏州医疗器械研究院,半月谈记者看到两种规格的器官芯片,分别只有U盘和硬盘大小。它们由高分子材料构成,里面包含很多“小通道”和“小房间”,如同一个透明的微型迷宫。像这样大小的器官芯片中,可以构建出几十个甚至上百个迷你人体器官。
“这薄薄的一片巴掌大小的材料，可以模拟人体器官,代替每年因实验而‘牺牲’的数以亿计的动物,在生命科学、制药化工、航空航天等领域为人类科学发展做出贡献。”东南大学苏州医疗器械研究院院长顾忠泽介绍,器官芯片是一种在体外构建的高度复杂的器官微生理系统,可以模仿人体组织的多种功能。这样的设计不仅能减少对动物和人体实验的需求,还能有效筛选和评估潜在新药,加速药物研发进程。
东南大学苏州医疗器械研究院院长助理、江苏艾玮得生物科技有限公司首席技术官陈早早告诉半月谈记者,借助微加工、3D打印、纳米自组装等技术“盖”出模拟人体环境的“房子”,再往里面按程序化输入相关细胞,就能“长”出对应器官,并获得相应的具有“生物活体”的器官芯片。
研究人员展示“心脏芯片”（右）及其制作材料 孙参 摄
比如,往器官芯片中输入干细胞诱导分化的心室、心房、窦房结、传导细胞等心肌细胞以及血管内皮细胞后,便构建出一个可自发跳动的与人体心跳节律类似的迷你“心脏”。在这个“心脏”中注入不同药物,即可检测药物对心脏的有效性和毒性,从而让药物学家更好地调整药物成分、进行药物筛选,达到提升药效的效果。
器官芯片不是单一、孤立的科研成果,而是由诸如干细胞科学、生物材料工程、纳米加工技术等多领域前沿技术交叉集成而来。顾忠泽解释说,器官芯片包含连续灌注腔室,具有多细胞层结构、组织界面、物理化学微环境以及人体血管循环,可被看作是模拟和重构人体器官生理功能的细胞培养微工程设备。
我国科研团队挺进昆仑之巅
东南大学苏州医疗器械研究院、江苏省人民医院等是我国较早开展器官芯片研究的单位。此外,国内还有一批高水平高校、科研院所、医疗机构、企业开展相关研究及应用,取得了一系列成果。
近期,中国科协生命科学学会联合体公布2023年度中国生命科学十大进展,由顾忠泽领衔的项目“人体器官芯片及多模态精准测量方法构建”入选。器官芯片是东南大学苏州医疗器械研究院重点研究领域，2021年,该院7项知识产权以3016.02万元进行转让,在江苏省产业技术研究院、苏州高新区支持下,成立了产业化公司——江苏艾玮得生物科技有限公司。
近年来,研究院项目团队联合江苏艾玮得攻克生物力测量、功能图像分析、高仿真体外微环境构建、片上传感分析等器官芯片领域关键核心技术,取得多项令人瞩目的成果——在国际上首开太空人工血管组织芯片研究先河、推动我国成为全球第二个具有在轨开展器官芯片实验和分析能力的国家、国内首个依托心脏器官芯片数据开发的心脏病领域药物已获批进入临床研究……
陈早早认为，传统动物实验存在成本高、与人体临床偏差较大等缺点,而器官芯片可以更好地模拟人体内微环境,可用于研究一些疾病在体内不同阶段的变化过程或观察不同药物的作用。
半月谈记者看到,实验人员将一种可降解材料的血管支架植入器官芯片中,并通过仪器观察、记录器官芯片内血管的变化以及支架材料的降解情况。“未来,我们将依托这项研究,推出对人体更安全的血管支架等植介入医疗器械,为病人送去福音。”顾忠泽说。
有望迎来爆发式发展
器官芯片在药物发现、环境评价、精准治疗等应用中具有巨大潜力。根据阿谱尔(APO)统计及预测,全球器官芯片市场规模2029年有望达到6.2亿美元,2023年至2029年的年复合增长率为31.21%。
一系列器官芯片领域科研成果的问世,不仅体现了我国科研机构在航空医学、药物研发、标准制定、疫苗评价等方面取得的成绩,亦预示着器官芯片技术将在不久的将来迎来爆发式发展。
顾忠泽表示,东南大学苏州医疗器械研究院已完成器官芯片体系的全链条建设,攻克类器官生成和培养、功能性细胞外支架材料、组织微器官三维成像和精准测量等多项核心技术壁垒,研发进展与美国、欧洲相关团队齐头并进,在部分领域领先国际水平。项目获得首届全国颠覆性技术创新大赛最高奖。“接下来,我们将开发高仿真体外人源化生理、病理模型,推动我国药物创制和精准诊疗行业实现弯道超车、迈上新台阶。”
“我国器官芯片科研水平与国际相关领域领先技术相比仍存差距,要加快器官芯片研究的重大科技基础设施建设,推动产业转型升级。”江苏省人民医院院长刘云说,采用器官芯片技术,科学家和医生不仅可以收集关于人类遗传学、生理学、病理学的多样性信息,还可以大大降低药物研发风险,推动精准医疗落地实施。
（编辑：李建发）
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