神奇的“器官芯片”：極高程度模擬人體測(cè)試（圖文）

哈佛大學(xué)韋斯研究所的生物工程師們結(jié)合電子技術(shù)與生物科學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造出了一種“器官芯片”，希望能夠用微芯片復(fù)制人體器官的功能，從而減少甚至取代昂貴而耗時(shí)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，使醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)變得更為簡(jiǎn)便。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物學(xué)中占據(jù)了極為重要的位置，但是經(jīng)費(fèi)以及動(dòng)物倫理也成了難以回避的問(wèn)題。哈佛大學(xué)韋斯研究所的生物工程師們?cè)噲D減少甚至取代昂貴而耗時(shí)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)——他們結(jié)合電子技術(shù)與生物科學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造出了一種“器官芯片”，希望能夠用微芯片復(fù)制人體器官的功能，使醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)變得更為簡(jiǎn)便。

“器官芯片”并不是那種利用硅電子芯片進(jìn)行人體器官模擬的模擬器，而是含有真正人體活體細(xì)胞的生物芯片。到目前為止，哈佛的工程師們已經(jīng)制造出了“肺芯片”、“心臟芯片”以及“腸芯片”。在最近研發(fā)出的“腸芯片”中，工程師將一層人體腸道細(xì)胞植入到一小張柔性多孔薄膜中，然后再將薄膜附著到芯片壁上，利用小型空氣泵的沖擊，薄膜就可以像真正的人體腸道蠕動(dòng)一樣伸展和收縮。這樣制造出來(lái)的“腸道芯片”與真實(shí)的人體腸道極為接近，它的表面甚至能夠允許細(xì)菌的生長(zhǎng)。

在韋斯研究所制造的“肺芯片”中，他們?cè)谛酒敳恐踩肓巳梭w肺部細(xì)胞，中部加入了一層薄膜，又在底部加入了人體毛細(xì)血管細(xì)胞。同樣利用空氣泵，將空氣從芯片頂部通入，芯片底部的“人體血液”就會(huì)開(kāi)始流動(dòng)，同樣會(huì)像真正的人肺一樣伸縮。

這些芯片的制作與最近興起的“芯片實(shí)驗(yàn)室”（LoC）技術(shù)息息相關(guān)，結(jié)合了微流體技術(shù)和硅芯片技術(shù)，大大加速了生物系統(tǒng)的分析過(guò)程。比如DNA的分析，利用這些技術(shù)，我們可以在短短幾個(gè)小時(shí)中獲得整個(gè)基因序列組信息，而在以前這個(gè)工作可能要花費(fèi)數(shù)周甚至數(shù)月。

在藥物測(cè)試方面，“器官芯片”的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)：他們可以極高程度地模擬真正的人體測(cè)試，同時(shí)透明的芯片能讓觀測(cè)變得非常容易。當(dāng)研究人員需要測(cè)試一種藥物時(shí)，只需要將藥物所含化合物加入芯片，再觀察芯片中的腸道細(xì)胞（或是心、肺細(xì)胞）如何反應(yīng)即可；人們也可以利用“器官芯片”測(cè)試藥物（或者食物）的吸收速度，或是益生菌對(duì)人體器官的作用。韋斯研究所的研究人員已經(jīng)利用“肺芯片”進(jìn)行過(guò)毒素及污染物測(cè)試。

更重要的是，這些“器官芯片”可以幫助人們更好地了解和處理疾病。很多種人類(lèi)疾病是沒(méi)有動(dòng)物模型可供測(cè)試的，比如“克羅恩病”——這種病也稱(chēng)為“節(jié)段性腸炎”，多發(fā)于青年女性身上，但至今發(fā)病原因不明，也缺乏有效的治療手段，最大的原因就是無(wú)法找到同樣患有這種疾病的動(dòng)物來(lái)進(jìn)行藥物測(cè)試，而利用“腸芯片”這個(gè)問(wèn)題就迎刃而解了。同時(shí)，在醫(yī)學(xué)界也經(jīng)常遇到這樣一種情況：某種藥物通過(guò)了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，卻無(wú)法通過(guò)人體實(shí)驗(yàn)，因而無(wú)法真正投產(chǎn)上市，還造成了嚴(yán)重的成本浪費(fèi)。如果藥物研發(fā)機(jī)構(gòu)直接使用“器官芯片”進(jìn)行測(cè)試就可以省去動(dòng)物實(shí)驗(yàn)步驟，節(jié)省大量的時(shí)間和金錢(qián)，還避免了許多動(dòng)物保護(hù)方面的道德問(wèn)題。

目前，韋斯研究所的“器官芯片”項(xiàng)目已經(jīng)得到了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的資助，他們正在進(jìn)一步研發(fā)“脾臟芯片”。但“脾臟芯片”卻不是為了藥物測(cè)試而研發(fā)，美國(guó)國(guó)防部希望他們能夠創(chuàng)造出一種“便攜式脾臟”，來(lái)幫助士兵抵抗敗血癥。

這也讓我們看到了“器官芯片”的另一個(gè)發(fā)展方向：如果我們能夠完美模擬內(nèi)臟的運(yùn)作，那么是不是可以將這些芯片植入人體來(lái)增強(qiáng)甚至替代現(xiàn)有器官呢？又或者，未來(lái)的某一天我們可以將一大堆“器官芯片”組裝到一起，創(chuàng)造出一個(gè)完整“人體芯片”？

但是也有人提出，“器官芯片”的使用可能會(huì)受到較大的限制，目前看來(lái)“器官芯片”只能植入單一類(lèi)型的器官細(xì)胞，而人們利用動(dòng)物進(jìn)行藥物測(cè)試的一大原因是可以觀察到藥物對(duì)整個(gè)生命系統(tǒng)的作用，各種器官之間的相互作用是其中非常重要的因素，而“器官芯片”能不能進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)仍是個(gè)未知數(shù)。所以，這種新型實(shí)驗(yàn)芯片未來(lái)能否真正取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，還有待時(shí)間驗(yàn)證。




相關(guān)導(dǎo)讀

MIT發(fā)明植入大腦的血糖電池

MIT的工程師們最近造出了一款神奇的電池，該電池可以被植入大腦，通過(guò)大腦和脊髓循環(huán)的血糖獲得充能。理論這款電池可以為人體內(nèi)的低能耗的計(jì)算芯片與傳感器供能，比如植入殘障人士體內(nèi)控制假肢的傳感器。

麻省理工學(xué)院的神經(jīng)工程師們最近造出了一款神奇的電池，該電池可以被植入大腦，通過(guò)大腦和脊髓循環(huán)的血糖獲得充能。理論上該款電池足以為低能耗的計(jì)算芯片與傳感器供能。理想中，它可以為殘障人士體內(nèi)的大腦解碼裝置供電，以實(shí)現(xiàn)假肢的智能化。

該電池的材料是硅和鉑，采用了標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制作工藝。鉑的作用是充當(dāng)催化劑，就好比動(dòng)物體內(nèi)的酶。鉑幫助電池從葡萄糖分子上吸走電子，就好比酶和氧氣幫助動(dòng)物細(xì)胞從葡萄糖上獲得電子。電池功率可達(dá)數(shù)百微瓦（也就是不到1毫瓦），與計(jì)算器上的太陽(yáng)能電池相比這是個(gè)不低的水平。這種功率的電池為復(fù)雜的計(jì)算芯片供能綽綽有余。不過(guò)也正因它的能量來(lái)自腦內(nèi)的血糖，大腦獲得的能量會(huì)因被剝奪而下降?？茖W(xué)家的解釋是，人可能會(huì)更容易感到饑餓，但是不會(huì)察覺(jué)出任何的差別。

目前麻省理工大學(xué)的科學(xué)家們?cè)斐鲎畲蟮碾姵赜?.5英寸*2.5英寸（約64mm*64mm）大小，也有一些較小的型號(hào)。雖說(shuō)電池越大性能越好，不過(guò)如果要在大腦內(nèi)植入64mm*64mm的異物也許還是會(huì)有些太大了。大腦是人體內(nèi)最重要的器官之一，電池的大小要經(jīng)過(guò)謹(jǐn)慎考慮。

此款電池存在兩個(gè)亮點(diǎn)，首先它完全是可以量產(chǎn)的，其次它采用的是有著幾十年歷史的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制作工藝，基本不存在技術(shù)門(mén)檻。血糖電池并不是最近才提出的新概念，之前就有血糖電池的存在，主要的用途是為起搏器供能。之前所研發(fā)出的體內(nèi)輔助設(shè)備都有能源的問(wèn)題，必須不定時(shí)更換電源?，F(xiàn)在，有了這么一款血糖電池，設(shè)備就可以自給自足了。這次的血糖電池的突破點(diǎn)在于使用鉑作為催化劑，而之前的血糖電池采用的是生物酶，這就需要定期更新電池內(nèi)的生物酶，有不少的麻煩。鉑的催化性能十分可靠，也不會(huì)引起免疫系統(tǒng)的排斥反應(yīng)。而且把電池安裝在腦脊液里也可以避開(kāi)白細(xì)胞。