新藥研發(fā)和試驗是一個漫長且耗資巨大的過程。為了制造出前景無限的化合物或者分子，科學(xué)家需要進(jìn)行海量研究。此后，他們還要在動物身上進(jìn)行試驗，如果安全有效則會在人體上進(jìn)行臨床試驗。在這個過程中，科學(xué)家需要觀察藥物的安全性和療效，以及合適的用藥劑量。

過去很長一段時間內(nèi)，科學(xué)家一直努力試圖簡化或者加速這個流程。為此，他們在小型芯片上模擬出人體器官(人工排列人體活細(xì)胞，使其模擬完整器官的功能和結(jié)構(gòu))。這就是所謂的“芯片仿真人體器官系統(tǒng)”(organ-on-a-chip systems)。在未來的某一天，這個系統(tǒng)也許會代替動物試驗，同時減少人體試驗所需要的步驟和時間。

這是一個“真實”的肺臟，但它不是真的

計算機(jī)的微芯片由硅樹脂材料打造而成，而芯片仿真人體器官也建造于這樣的材料之上：科學(xué)向經(jīng)過專門蝕刻打造的模具中澆筑液態(tài)硅膠，模具上有很多槽道，因此硅樹脂芯片上也就多了很多槽道。在這些槽道里，科學(xué)家安置培育了很多人體細(xì)胞。這些細(xì)胞從槽道的底部生長，而培養(yǎng)液則會在槽道中流動以便為細(xì)胞輸送營養(yǎng)。于是，科學(xué)家就可以在培養(yǎng)液中加入等待測試的新藥或者其他物質(zhì)，觀察其與細(xì)胞結(jié)合之后的情況。

一般而言，最基礎(chǔ)的芯片仿真人體器官僅培育一種類型的細(xì)胞。為了模擬不同器官一起工作的狀態(tài)，科學(xué)家需要為基礎(chǔ)版本芯片仿真人體器官增加新的功能和特性。比如哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)研發(fā)的芯片仿真肺部器官復(fù)雜度更高，可以模擬具有呼吸功能的肺部。在他們的實驗中，工作人員用薄膜隔開了硅樹脂芯片上的槽道，使其構(gòu)成了兩個隔室。接著，他們在每個隔室中放入了兩種不同類型的肺部細(xì)胞：一種可以與薄膜頂部空氣完成氣體交換，一種可以與隔室底部血液完成氣體交換。

為了讓這個芯片仿真肺部器官具備呼吸功能，科學(xué)家不斷向隔室頂部輸送空氣，同時在隔室底部用液體模仿人體的血液流動。這樣一來，他們就可以觀察空氣中哪種分子可以進(jìn)入肺部和血液中。這個過程模擬的其實就是人體從空氣中獲取氧氣，然后將氧氣儲存于血液中并輸送給全身細(xì)胞。

在另一個實驗中，哈佛大學(xué)的科學(xué)家還展示了一種抗癌癥藥物對人體的侵害——這種藥物會導(dǎo)致液體從薄膜的血液一側(cè)流向空氣一側(cè)。在人體中，這種藥物會使患者肺部充滿液體，從而導(dǎo)致呼吸困難。

生物技術(shù)公司和制藥公司之間的合作為我們帶來了芯片仿真人體器官系統(tǒng)，以便加速藥品測試過程。據(jù)報道，荷蘭生物技術(shù)公司Mimetas研發(fā)了一種芯片仿真腎臟器官，而三家制藥公司已經(jīng)準(zhǔn)備好利用這款產(chǎn)品測試自己的新藥。

另外，強(qiáng)生也已經(jīng)對外宣布，計劃利用美國馬薩諸塞州生物技術(shù)公司Emulate的芯片仿真人體器官系統(tǒng)進(jìn)行藥物試驗。值得一提的是，Emulate公司隸屬于哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所。報道稱，強(qiáng)生已經(jīng)開始在模擬人體血栓的芯片仿真人體器官系統(tǒng)上測試藥物，還計劃利用芯片仿真肝部來觀察藥物對人體肝臟是否有損傷。血栓和肝臟損害是藥物常見的潛在副作用，通過芯片仿真人體器官，我們就能更早地發(fā)現(xiàn)藥物的潛在危害。

芯片仿真人體器官：潛力無限的未來技術(shù)

從目前的情況來看，芯片仿真人體器官系統(tǒng)具有極大的潛力，能從很多方面改進(jìn)現(xiàn)行的藥物檢測流程。

首先，在藥物試驗中，芯片仿真人體器官明顯優(yōu)于培養(yǎng)皿。科學(xué)家在肺癌的芯片仿真人體器官模型中進(jìn)行藥物檢測時發(fā)現(xiàn)，芯片仿真人體器官系統(tǒng)預(yù)測的最有效劑量和人體臨床檢測中發(fā)現(xiàn)的最有效劑量最為接近，預(yù)測結(jié)果比培養(yǎng)皿中細(xì)胞常規(guī)測試中的預(yù)測結(jié)果要精準(zhǔn)很多。這是因為，培養(yǎng)皿中的細(xì)胞都平鋪在一個平面上，而芯片仿真人體器官系統(tǒng)能夠更好地再現(xiàn)人體的三維機(jī)構(gòu)。對于研究類似于大腦這樣的復(fù)雜器官或者胎盤這樣很難在其工作時開展研究的器官而言，重現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)極為重要。

另外，這項新的技術(shù)在精確度上也優(yōu)于動物試驗。利用芯片仿真人體器官系統(tǒng)檢測新藥得到的結(jié)果比利用動物模型檢測得到的結(jié)果精確度更高。動物研究得出的檢測結(jié)果可能具有誤導(dǎo)性：有的藥物在動物身上出現(xiàn)不好的副作用，但是在人體上卻沒有這樣的問題(扼殺了一款優(yōu)秀藥物步入市場);有的藥物在動物身上沒有任何問題，但是在人體卻會產(chǎn)生副作用(導(dǎo)致昂貴的臨床試驗失敗，或者更糟糕的情況下會導(dǎo)致公眾遭受藥物有害的副作用)。

當(dāng)然，作為一項研發(fā)中的技術(shù)，芯片仿真人體器官系統(tǒng)還有一些重大障礙需要克服。首先，芯片仿真人體器官的復(fù)雜度終究比不過人體真實器官，而且該系統(tǒng)也無法模擬真實器官被人體內(nèi)其他不相鄰器官干擾影響的狀態(tài)。比如，芯片仿真人體器官可能無法完全模擬激素(例如胰島素)改變?nèi)祟惣∪庵屑?xì)胞行為的復(fù)雜模式。另外科學(xué)家還在進(jìn)行測試，試圖查清現(xiàn)有的藥物是否能以我們期望的方式在芯片仿真人體器官系統(tǒng)上發(fā)揮作用。

不過這些障礙并不妨礙人們對新技術(shù)的熱情。很多制藥公司和美國國立衛(wèi)生研究院下屬的美國國家轉(zhuǎn)化科學(xué)促進(jìn)中心(NCATS)也參與了研發(fā)。據(jù)悉 NCATS投入大量資金，資助了11款芯片仿真人體器官系統(tǒng)的開發(fā)過程。如果芯片仿真人體器官能夠證明自身在測試藥物過程中的優(yōu)點，那么這款技術(shù)便能提高藥物研發(fā)的速度、精準(zhǔn)度和性價比。這將是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大改變，而且正在逐步變成現(xiàn)實。