不可思議 在芯片上“種”器官

方寸之間的小小芯片上，能培養(yǎng)出跳動的“心臟”、呼吸的“肺”、流動的“血管”……人體器官芯片正成為生物醫(yī)學(xué)研究中的熱門新工具。這些人體器官芯片，可部分代替動物和臨床試驗(yàn)。基于這一技術(shù)，科學(xué)家們還有更遠(yuǎn)大的理想：使用數(shù)字化手段再現(xiàn)生命和疾病過程，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療。近日，記者探訪東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，走近神秘的人體器官芯片和“數(shù)字克隆人”。

血管芯片

腦瘤芯片

解密“人體器官芯片”

“人體器官芯片是建立在組織工程和微流控芯片等技術(shù)上的，結(jié)構(gòu)看起來很簡單?！痹跂|南大學(xué)四牌樓校區(qū)，生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院院長顧忠澤，從實(shí)驗(yàn)室里拿出一張寬約2厘米、長約5厘米的透明芯片，上有通道、薄膜和導(dǎo)管。“是不是有點(diǎn)像透明的集成電路？不過，它的管道里流的不是電子，而是液體?！?/p>

據(jù)介紹，人體器官芯片就是在人體外模擬出人體內(nèi)部環(huán)境——可以是某一組織、某一器官，甚至是多個(gè)器官的組合。那么，怎樣將人體組織器官“種”在芯片上呢？“簡單來說，就是在微流控芯片中搭建一個(gè)目標(biāo)組織或器官的三維模型，通過細(xì)胞培養(yǎng)構(gòu)建出具有三維結(jié)構(gòu)的微型組織和器官?！鳖欀覞烧f。由于培養(yǎng)的組織器官和實(shí)現(xiàn)的功能不一樣，各類芯片都需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。

比如，構(gòu)建心臟芯片時(shí)需要模擬心肌組織的跳動，而構(gòu)建肺芯片時(shí)則需要模擬肺泡中的氣體交換。目前構(gòu)建的心臟芯片可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)80天以上的跳動。此外，還有腦芯片、肝芯片、腎芯片、腫瘤芯片、血管芯片、皮膚芯片……科學(xué)家正嘗試在小小的芯片上“種”出一個(gè)個(gè)人體組織器官。

“現(xiàn)在，東南大學(xué)已經(jīng)研發(fā)出多種器官芯片，在此基礎(chǔ)上，我們還將研發(fā)多器官集成的芯片系統(tǒng)?！鳖欀覞山榻B，該芯片系統(tǒng)就像是一個(gè)由多個(gè)人體器官或組織構(gòu)成的集成電路，培養(yǎng)液貫穿各個(gè)組織器官，從而形成一個(gè)小小的“芯片上的人”。而之前有消息稱，麻省理工的科學(xué)家已將十種人體器官微型模型連接在一起，雖然該系統(tǒng)僅存活了四周，卻讓科學(xué)家測試到常見止痛藥對多個(gè)器官的影響。

助力個(gè)性化的精準(zhǔn)醫(yī)療

人體器官芯片可以有效模擬人體生理、病理狀態(tài)的功能，進(jìn)行部分臨床替代試驗(yàn)，對精準(zhǔn)醫(yī)療有重要意義——科學(xué)家已經(jīng)能使用患者的細(xì)胞，制造出一張患者的器官芯片，以尋找最適合患者的藥物或者治療方法。顧忠澤舉例道，“比如我們從人的腫瘤里取出細(xì)胞放進(jìn)芯片培養(yǎng)，長成一個(gè)微小腫瘤，這樣就可以在腫瘤芯片上去做個(gè)性化藥物試驗(yàn)，我們可以導(dǎo)入藥物，觀察治療腫瘤的效果，進(jìn)行藥物篩選。”

除了精準(zhǔn)醫(yī)療，人體器官芯片還將改變藥物研發(fā)的模式，極大地降低藥物研發(fā)成本，“用人體器官芯片來實(shí)現(xiàn)替代動物試驗(yàn)將是革命性的?！鳖欀覞烧f。

目前，在蘇州高新區(qū)和江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院的支持下，東南大學(xué)蘇州醫(yī)療器械研究院已在進(jìn)行人體器官芯片的產(chǎn)業(yè)化研究，“我們研發(fā)的腫瘤芯片、皮膚芯片已開始邁向產(chǎn)業(yè)化。腫瘤芯片跟南京腦科醫(yī)院、東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院合作進(jìn)行臨床研究，哥倫比亞大學(xué)也在和我們洽談購買芯片和裝置。此外，還跟中國航天員科研訓(xùn)練中心、英國伯明翰大學(xué)等多個(gè)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作?！?/p>

“目前，我們做的還是實(shí)體的人體器官芯片，未來，我們希望能構(gòu)建‘?dāng)?shù)字克隆人’?！鳖欀覞烧J(rèn)為，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個(gè)趨勢是，使用數(shù)字化的手段再現(xiàn)生命和疾病過程。

用“數(shù)字克隆人”模擬生命過程

自上個(gè)世紀(jì)90年代人類基因組計(jì)劃成功實(shí)施以來，無論從個(gè)體的單一維度到群體的多維度，還是從健康狀態(tài)到疾病病理狀態(tài)，各種生物醫(yī)學(xué)國際合作項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)生了大量的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)揭示了一個(gè)基本的規(guī)律：生命是數(shù)字的。即，動態(tài)復(fù)雜的生命過程可以用數(shù)字化的狀態(tài)呈現(xiàn)，也可以通過計(jì)算來模擬和預(yù)測。

顧忠澤介紹，“數(shù)字克隆人”，具體來說，就是采集從分子到細(xì)胞到組織器官到人體系統(tǒng)的跨尺度、全生命周期的高質(zhì)量生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，并通過人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段，構(gòu)建個(gè)性化、具有自我演繹功能的“數(shù)字人”?！八芡ㄟ^模擬人的生命過程，實(shí)現(xiàn)生命科學(xué)研究和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中的動物和臨床試驗(yàn)替代。”

而要實(shí)現(xiàn)“數(shù)字克隆人”的目標(biāo)，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題：一是如何采集數(shù)據(jù)；二是如何使用數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，模擬生命過程。

顧忠澤說，實(shí)驗(yàn)室目前在做幾個(gè)先導(dǎo)項(xiàng)目，“首先是人體單細(xì)胞圖譜，我們希望知道人的每一個(gè)器官里基因表達(dá)的空間信息。其次是器官中的結(jié)構(gòu)與功能信息的關(guān)系。只有把這些信息進(jìn)行有機(jī)的融合，才會形成一個(gè)數(shù)字意義上的‘活’人。還有就是基于人體器官芯片的試驗(yàn)，可以獲取細(xì)胞、組織和器官層面上信息的關(guān)系。所以，人體器官芯片是我們數(shù)字克隆人研究中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)?！?/p>

由東南大學(xué)主導(dǎo)的“生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”也計(jì)劃在南京江北新區(qū)建設(shè)?！拔覀儠谀抢锝ㄔO(shè)樣本庫、芯片平臺、數(shù)據(jù)采集平臺、虛擬現(xiàn)實(shí)平臺等?！睋?jù)悉，該重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建成后，將成為全球最大的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)設(shè)施，使人們可以從基因、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體乃至群體水平，全方位解析人體健康，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到推動作用。