來源：《中國科學(xué)報》第1版 要聞
發(fā)布時間：2025-01-09
■本報見習記者 趙宇彤
巴掌大小的芯片上能“長”出人體器官，你相信嗎？
生物技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，器官芯片是一種可以在體外模擬人體器官結(jié)構(gòu)功能的前沿交叉技術(shù)，可以形成一種嶄新的仿生微生理系統(tǒng)，為生物醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)展提供創(chuàng)新動力。
近日，以“器官芯片與微生理系統(tǒng)”為主題的第770次香山科學(xué)會議在北京召開。專家圍繞這一領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、機遇和面臨的挑戰(zhàn)開展了深入研討。
芯片上的器官
當前，生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)等多領(lǐng)域的跨界融合，正孕育著新的生命科學(xué)和醫(yī)藥健康研究新范式。
由于人體系統(tǒng)非常復(fù)雜，器官具有多層次性、功能多樣性和狀態(tài)可變性，傳統(tǒng)二維細胞和動物模型難以完全模擬體內(nèi)環(huán)境，預(yù)測人類對藥物的真實反應(yīng)。
“器官芯片技術(shù)融合了工程學(xué)與生物學(xué)策略，可以在體外仿生構(gòu)建微生理系統(tǒng)，模擬體內(nèi)微環(huán)境、器官間交互作用以及人體對環(huán)境因素或藥物作用的響應(yīng)，為理解人體生物學(xué)、揭示復(fù)雜疾病機理和研發(fā)藥物等提供了新的視角和獨特的研究工具?！睍h執(zhí)行主席之一、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員秦建華表示。
然而，要想在芯片上模擬器官功能可不是一件容易事。
“目前人體器官的復(fù)雜功能重塑與精準模擬是難點，也是制約器官芯片技術(shù)構(gòu)建更復(fù)雜、更可控的微生理系統(tǒng)的主要瓶頸之一。針對人體環(huán)境的內(nèi)在復(fù)雜性，器官功能重塑基礎(chǔ)理論、精準模擬、模型算法等方面的關(guān)鍵科學(xué)問題尚待破解?！鼻亟ㄈA說，借助匯聚生物學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)學(xué)工程和信息學(xué)等多個交叉學(xué)科，有望構(gòu)建高仿真性的人體微生理系統(tǒng)，為神經(jīng)系統(tǒng)等復(fù)雜疾病研究和多場景應(yīng)用奠定科學(xué)基礎(chǔ)，為未來技術(shù)升級和標準建立提供基礎(chǔ)支撐。
開拓新空間
器官芯片與微生理系統(tǒng)是多學(xué)科融合的產(chǎn)物。相關(guān)專家討論了干細胞、類器官、生物3D打印、人工智能、替代毒理學(xué)等多個主題。
類器官是一種新型體外3D器官模型，是由干細胞或器官特異性前體細胞在體外形成的多細胞三維組織，為器官芯片提供具有豐富多細胞組分的“種子細胞”。
“作為在體外模擬組織或器官生理結(jié)構(gòu)和功能的可再生模型，類器官是當今生命領(lǐng)域的研究熱點?！敝袊茖W(xué)院院士，南昌大學(xué)、清華大學(xué)教授陳曄光表示，其團隊搭建了多種類器官模型，可以利用器官芯片將其連接起來，為系統(tǒng)性地研究藥物代謝與藥效評估提供了新思路。
“多學(xué)科協(xié)同將有利于加強類器官模型的成熟度、適用性、高效性及復(fù)雜性，促進更具仿生性、功能價值、系統(tǒng)整合作用的新技術(shù)發(fā)展。”陳曄光說，這為類器官工程化應(yīng)用、器官體外功能重現(xiàn)和體內(nèi)器官功能修復(fù)提供了更多可能。
在中國科學(xué)院院士、昆明理工大學(xué)特聘教授季維智看來，器官芯片與微生理系統(tǒng)是靈長類研究的新工具。
“近年來類器官研究發(fā)展較快，其中類胚胎的報道較多?！奔揪S智說，“然而，器官發(fā)生、發(fā)育的機制并不清楚，也無法構(gòu)建類似體內(nèi)的微循環(huán)系統(tǒng)，難以產(chǎn)生具有功能的類器官。器官芯片結(jié)合干細胞、類器官和實驗動物等形成閉環(huán)的器官芯片與微生理系統(tǒng)研究，可為胚胎發(fā)育研究提供新范式?！?/p>
道阻且長
盡管全球器官芯片及微生理系統(tǒng)的研究和產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，但將“實驗室有效”推進到“臨床有效”，解決新藥研發(fā)投入大、周期長和失敗率高等問題仍面臨很多挑戰(zhàn)。
在深圳理工大學(xué)研究員張先恩看來，目前器官芯片技術(shù)要實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，還有很長一段路要走。應(yīng)更多聚焦于基礎(chǔ)科學(xué)問題研究，究竟要做到“形態(tài)模擬”，還是要做到“功能模擬”，需要厘清思路。此外，在技術(shù)方面，要實現(xiàn)工程化集成還需要加大對生物傳感技術(shù)的關(guān)注和整合研究。
“未來應(yīng)加強與臨床醫(yī)學(xué)的結(jié)合，發(fā)揮核心技術(shù)優(yōu)勢，以場景應(yīng)用為驅(qū)動，推進器官芯片和微生理系統(tǒng)在重大疾病建模、機理研究和藥物評價等方面的創(chuàng)新應(yīng)用，應(yīng)對人類生命健康所面臨的臨床挑戰(zhàn)?！鼻亟ㄈA表示。
此外，不少專家認為，現(xiàn)階段仍需以科學(xué)問題為導(dǎo)向，夯實器官芯片與微生理系統(tǒng)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)研究，加強系統(tǒng)設(shè)計與整合。在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、標準化、倫理和科學(xué)監(jiān)管等方面，也需要多部門的協(xié)調(diào)支持和政策引導(dǎo)，共同促進該領(lǐng)域的健康發(fā)展和轉(zhuǎn)化應(yīng)用，助力我國生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新研究實現(xiàn)重大突破。
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