科學(xué)讓芯片替代人體器官

隨著AI技術(shù)的發(fā)展，“個(gè)性化醫(yī)療”在近年來(lái)頻頻被提起，“個(gè)性化”象征的“精準(zhǔn)”“高效”“智慧”使其成為改變醫(yī)療行業(yè)現(xiàn)狀的有效切入點(diǎn)。比如智能導(dǎo)診與患者實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，智能監(jiān)測(cè)設(shè)備幫助進(jìn)行醫(yī)療服務(wù)的追蹤和個(gè)性化定制等。那么，個(gè)性化醫(yī)療只能被AI醫(yī)療產(chǎn)品定義嗎?恐怕不然。今天，就想跟大家聊聊另一層意義上的個(gè)性化醫(yī)療技術(shù)——“器官芯片”。

化整為零，真正的“個(gè)性化”醫(yī)療

說(shuō)起個(gè)性化醫(yī)療，我們腦海中首先想到的就是基因醫(yī)療，也就是以個(gè)人基因組信息為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)內(nèi)環(huán)境信息，為病人量身設(shè)計(jì)出最佳治療方案的一種定制醫(yī)療模式。

基因檢測(cè)和治療固然能為個(gè)性化醫(yī)療提供基礎(chǔ)，目前也有通過(guò)基因檢測(cè)發(fā)現(xiàn)癌癥、糖尿病，進(jìn)而采取精準(zhǔn)醫(yī)療手段延緩病情的案例，但是，從基因醫(yī)療的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，除少數(shù)疾病外，基因與疾病的關(guān)聯(lián)性難以確定，比如“漸凍癥”(ALS)，數(shù)據(jù)顯示，僅有少部分ALS與基因缺陷相關(guān)，而90%的散發(fā)性案例發(fā)病原因仍是未解之謎。

所以，將人體的整個(gè)基因程序列入個(gè)性化醫(yī)療的參考之列，其實(shí)是不太靠譜的。這時(shí)，器官芯片的出現(xiàn)給了人們新的參考指標(biāo)。

“器官芯片”這個(gè)概念由來(lái)已久，在2016年就被達(dá)沃斯論壇列為“十大新興技術(shù)”之一。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院院刊的說(shuō)法，器官芯片，指的是一種在芯片上構(gòu)建的器官生理微系統(tǒng)，它以微流控芯片為核心,通過(guò)與細(xì)胞生物學(xué)、生物材料和工程學(xué)等多種方法相結(jié)合,可以在體外模擬構(gòu)建包含有多種活體細(xì)胞、功能組織界面、生物流體和機(jī)械力刺激等復(fù)雜因素的組織器官微環(huán)境,，反映人體組織器官的主要結(jié)構(gòu)和功能體征。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在體外構(gòu)建一個(gè)人體內(nèi)生物學(xué)組織器官的簡(jiǎn)化版本，只保留器官功能和人體病理生物學(xué)的特征?！捌鞴傩酒庇趥€(gè)性化醫(yī)療的意義在于，將人體化整為零，把對(duì)“人體”精確的診斷改換成對(duì)“器官”的精確診斷，提供更有效、更有針對(duì)性的治療。

通過(guò)利用患者來(lái)源干細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來(lái)源器官模型的工程化構(gòu)建，使個(gè)體化的疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、藥物藥效評(píng)價(jià)、毒理評(píng)估和預(yù)后分析更加準(zhǔn)確。目前，也有科學(xué)家利用特定病人的干細(xì)胞，構(gòu)建功能性心臟組織，模擬累遺傳性心臟病模型。

除了實(shí)現(xiàn)對(duì)人類的個(gè)性化醫(yī)療，器官芯片還有一個(gè)明顯的好處，便是藥物測(cè)試。這一點(diǎn)，對(duì)動(dòng)物試驗(yàn)的改變將是革命性的。

一直以來(lái)，人們都是通過(guò)動(dòng)物來(lái)試藥，暫且不論用動(dòng)物做藥物測(cè)試是否人道。從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的角度來(lái)講，盡管動(dòng)物與人類共享的基因比例高達(dá)99%，但剩下的1%，仍然會(huì)造成極大的變量，從而導(dǎo)致兩個(gè)物種之間產(chǎn)生巨大的生理差異。同一種藥物，在動(dòng)物體內(nèi)和人體內(nèi)的反應(yīng)可能是截然不同的。即便是極小的表達(dá)差異，也會(huì)隨著藥物研發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)而被不斷放大，最終導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的失敗。

“器官芯片”因?yàn)楦咏梭w，能夠更加有效地用于藥物測(cè)試，10月11日，《科學(xué)進(jìn)展》上就報(bào)告了一種在微流控芯片上制作神經(jīng)元和肌肉組織的3D方法，借助這種芯片，科學(xué)家可以替“漸凍人”試新藥。

器官芯片要面臨的問(wèn)題

器官芯片的概念提出已久，產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程卻十分緩慢，探究其中原因，大致可以分為三點(diǎn)。

首先，即使是最先進(jìn)的器官芯片，也無(wú)法完全代表活體器官的功能。畢竟，所有的器官都不可能脫離機(jī)體單獨(dú)存在。雖然化整為零具有建設(shè)性的意義，但整體大于部分，僅依靠器官芯片是無(wú)法復(fù)制疾病機(jī)體的，尤其是內(nèi)分泌環(huán)境所導(dǎo)致一系列功能變化。

因此，我們必須考慮人體這個(gè)整體的關(guān)聯(lián)性，在這方面，我們可以利用單個(gè)芯片組成一個(gè)高集成度的3D組織器官微流控芯片系統(tǒng)。大連理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就研發(fā)出了這樣的芯片系統(tǒng)，該芯片系統(tǒng)由多種模塊自上而下依次疊加構(gòu)成，集成了腸、血管、肝、腫瘤、心、肺、肌肉和腎等細(xì)胞或組織，并有“消化液”,“血液”和“尿液”貫穿其中。

如此，器官芯片就像一個(gè)積木，將所有的積木堆積起來(lái)，就能最大程度地打造一個(gè)“人體建筑”，還原人體內(nèi)功能環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)藥物測(cè)試等作用。

其次，器官芯片仍是一個(gè)成長(zhǎng)中的技術(shù)，產(chǎn)業(yè)鏈的不成熟將導(dǎo)致成本增加。Oxford的CNBio公司用裝有12個(gè)微型肝臟的芯片做藥物的毒性試驗(yàn)，目前一個(gè)單元的價(jià)格是22000，單位是美元。事實(shí)上，這個(gè)價(jià)格比起動(dòng)物試驗(yàn)已經(jīng)低廉很多，要知道，做同樣的試驗(yàn),小鼠的價(jià)格為$50000美元。

但是，這所謂的“低廉”放在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，依舊是要打上問(wèn)號(hào)的。目前來(lái)看，器官芯片在科研上使用居多，而科研經(jīng)費(fèi)也足夠支撐該類工具的使用，但我們對(duì)器官芯片更大的希冀是落地于普通人的醫(yī)療，如果器官芯片要走向產(chǎn)業(yè)化，仍需要控制成本。當(dāng)然，隨著產(chǎn)業(yè)鏈的完善，其優(yōu)勢(shì)會(huì)慢慢凸顯出來(lái)，成本問(wèn)題也會(huì)得到相應(yīng)的解決。

在此之前，我們或許可以將3D打印技術(shù)作為器官芯片制作方法的重要補(bǔ)充。3D打印技術(shù)至少會(huì)在兩個(gè)方面對(duì)器官芯片造成影響，一是芯片制備，二是生物打印。尤其在芯片制備上，3D打印已經(jīng)能夠制造出有很高分辨率，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芯片，還具備制作周期短，單元操作簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，哈佛大學(xué)Wyss生物工程研究所和哈佛JohnA.Paulson工程和應(yīng)用科學(xué)院的研究人員就利用3D打印制造出了首個(gè)完整的帶集成傳感系統(tǒng)的器官芯片。

最后，微流控芯片普遍存在有一個(gè)問(wèn)題，即宏觀試樣與微芯片的銜接不易。目前，芯片上的進(jìn)樣多采用手工完成，效率低下，可靠性也較差，極容易影響細(xì)胞的活力，進(jìn)而影響細(xì)胞進(jìn)程和生物特征的實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此，我們還需要研發(fā)出更多的協(xié)助性產(chǎn)品，比如連續(xù)進(jìn)樣系統(tǒng)，保證在制備上做到自動(dòng)化、微型化和集成化。

結(jié)論：

個(gè)性化醫(yī)療發(fā)展至今，已經(jīng)積累了許多的技術(shù)成果。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我們對(duì)“個(gè)性化”“精準(zhǔn)”也提出了更多的要求，器官芯片之于人類的意義，在于人們可以真正地“對(duì)癥下藥”，而不去“損傷”其他的組織器官。隨著人們研究的深入，器官芯片技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域的研究中，為個(gè)性化醫(yī)療帶來(lái)更多可能。