持續跳動的“心臟”、有代謝功能的“肝臟”、會呼吸的“肺”……在巴掌大小的芯片上，先“蓋”出模擬人體環境的“房子”，再向其中引入相關細胞，就能部分模擬人體器官功能。
器官芯片與微生理系統是當前生命科學領域最具發展潛力的新興方向之一。它融合了多個學科，可在體外模擬人體器官微環境，形成一種仿生的微生理系統，為生命科學、醫學研究和新藥研發等領域帶來前所未有的發展機遇。
為深入研討器官芯片與微生理系統領域的發展現狀以及未來趨勢，日前，主題為“器官芯片與微生理系統”的第770次香山科學會議在北京召開。
創新工具助力研發
生命系統非常復雜，人們迫切需要新的理念、研究范式和高效工具去理解生命機制，探究疾病的發生與發展機理，從而開發有效策略以滿足生命健康需求。
以藥物研發為例，目前新藥研發速度遠遠跟不上疾病治療需求，且失敗率居高不下。據介紹，單藥研發成本高達20億至30億美元，從藥物研發到獲批平均需要10至15年。當前生命科學領域急需通過新興前沿技術提供更貼近人體生理環境的體外模型，從而縮短藥物研發周期，提高疾病治療效率。
類器官是一種來源干細胞的可再生模型。“如果把人體比作汽車，構成人體的器官就是汽車零部件。零部件壞了可以更換，人體器官因衰老等原因損壞也能替換。”中國科學院院士、南昌大學教授陳曄光說，類器官是在體外培養、能夠自我組裝的微型三維結構，擁有對應器官的細胞類型和類似空間結構，并且能夠模擬器官部分功能。過去，研究者只能通過動物模型了解器官的生長發育。現在，他們能直接“看見”類器官的生長過程。
“和干細胞來源的類器官不同，器官芯片是一種基于人體生物學的仿生微生理系統，通過整合工程學和生物學策略，可在體外模擬人體器官的動態微環境、器官間交互作用以及對外界環境或藥物作用的響應等，為在系統層面開展生物學研究、復雜疾病建模機理和藥物評估等提供了新的策略和工具。”會議執行主席之一、中國科學院大連化學物理研究所研究員秦建華介紹。
長期以來，傳統藥物研發過程中，二維細胞培養和動物模型在仿生人體組織微環境，以及對藥物作用的預測價值等方面仍面臨諸多局限。破解新藥研發困境是促進器官芯片技術發展的重要動力。
器官芯片技術快速崛起于21世紀初。經過10多年發展，研究人員已成功構建心、肝、腸、腦、腎等眾多器官模型，并不斷推動生物醫藥研究創新。在國際積極推動非臨床試驗替代法和盡可能減少動物試驗的背景下，這種新模型、新技術受到越來越多的關注。
將器官芯片與類器官、材料學、工程學等多學科手段結合，可助力生命科學朝著反映更真實的體內環境、更完善的信號調控與監測、更系統的組織器官互作研究、更多突破性的疾病模型構建等方向發展。
關鍵問題有待突破
我國在器官芯片與微生理系統領域的整體研究起步較晚，不過仍取得一些重要進展，并呈現快速發展的態勢。例如，將器官芯片技術率先用于新冠感染模型研究和多器官損傷評估；建立多器官微生理系統，開展肝臟-胰島軸和肺-腦軸模擬以及糖尿病、重大感染性疾病等研究。
當前，仍有一些關鍵科學問題有待解決。“器官芯片模型如何達到高仿真模擬？如何實現精準評估？如何將‘實驗室有效’推進到‘臨床有效’？這些問題涵蓋干細胞與器官發育、器官功能重塑、器官交互作用、多參量表征和微生理系統構建等方面。”秦建華說，解答這些問題需要在微生理系統的基礎理論和關鍵技術等方面實現突破，需要將理性設計、精準模擬、定量表征、數據評估和智能分析等有機結合，還需要大量的科學數據進行驗證。
“以糖尿病、腦卒中、冠心病等泛血管疾病為例，這些疾病可引發多器官、多系統的病理改變。多器官損傷涉及復雜的多器官協同機制，現有研究方法在實時性、系統性和綜合性上仍存在局限。”在中國科學院院士、南京大學醫學院教授顧寧看來，開發能夠在活體環境中實現跨尺度、多維度的多器官關聯實時動態監測的工具和方法，是建立仿生微生理系統和體外生命支持系統需要關注的問題。
中國科學院院士、昆明理工大學教授季維智說：“基于干細胞的多能性，研究人員嘗試構建類器官和器官芯片，以探索器官發育的調控機制，替代動物進行藥物篩選，甚至創造具有人體功能的替代器官。然而，由于對人體器官發生與發育機制的認識尚不充分，目前尚無法構建類似體內的微循環系統，相關技術發展受到限制。”季維智認為，可將器官芯片與干細胞、類器官和實驗動物等方式結合，形成閉環式微生理系統，以充分理解器官發生和發育機制。
中國科學院動物所研究員胡寶洋說，當前，基于干細胞、類器官和器官芯片技術所構建的各類系統相互協同，能較好地模擬組織的結構和部分功能狀態，具有廣泛應用前景。
融合發展前景廣闊
隨著生命科學和工程學的深度融合，將器官芯片與干細胞、基因編輯、類器官、生物3D打印、生物傳感和人工智能等新技術結合，是器官芯片與微生理系統領域的發展趨勢。
其中，生物3D打印技術能將生物材料與細胞、蛋白質等生物單元，依據仿生形態學、細胞微環境要求，精準構建出具有特定功能的體外三維生物模型。“生物3D打印技術構建高度仿生的生物學模型，特別適用于器官芯片和微生理系統。”清華大學教授孫偉說。
不過，器官芯片距離真正應用還有一定距離。深圳理工大學研究員張先恩認為，器官芯片無論是實現“形態模擬”還是“功能模擬”，都需要做大量工作。
專家討論認為，通過生物學、工程學、醫學、藥學和信息學等學科高效融合，有望建立更高仿真度的人體微生理系統，提升我國重大疾病研究和新藥研發原始創新能力。此外，器官芯片和微生理系統領域的發展還涉及倫理、標準制定和科學監管等多方面工作，需要推動新興技術的發展和應用，持續催生原創性、突破性和顛覆性的研究成果，滿足國家重大戰略需求。
秦建華說：“當前生物醫學研究正邁入一個新時代，器官芯片與微生理系統不僅拓展了疾病研究的邊界，還有可能推動未來藥物開發、精準醫療和動物實驗替代技術的革新。如今，我們站在科學與應用的交匯點，共同探索這一革新性生物技術的無限可能，大有可為。”
持續跳動的“心臟”、有代謝功能的“肝臟”、會呼吸的“肺”……在巴掌大小的芯片上，先“蓋”出模擬人體環境的“房子”，再向其中引入相關細胞，就能部分模擬人體器官功能。
器官芯片與微生理系統是當前生命科學領域最具發展潛力的新興方向之一。它融合了多個學科，可在體外模擬人體器官微環境，形成一種仿生的微生理系統，為生命科學、醫學研究和新藥研發等領域帶來前所未有的發展機遇。
為深入研討器官芯片與微生理系統領域的發展現狀以及未來趨勢，日前，主題為“器官芯片與微生理系統”的第770次香山科學會議在北京召開。
創新工具助力研發
生命系統非常復雜，人們迫切需要新的理念、研究范式和高效工具去理解生命機制，探究疾病的發生與發展機理，從而開發有效策略以滿足生命健康需求。
以藥物研發為例，目前新藥研發速度遠遠跟不上疾病治療需求，且失敗率居高不下。據介紹，單藥研發成本高達20億至30億美元，從藥物研發到獲批平均需要10至15年。當前生命科學領域急需通過新興前沿技術提供更貼近人體生理環境的體外模型，從而縮短藥物研發周期，提高疾病治療效率。
類器官是一種來源干細胞的可再生模型。“如果把人體比作汽車，構成人體的器官就是汽車零部件。零部件壞了可以更換，人體器官因衰老等原因損壞也能替換。”中國科學院院士、南昌大學教授陳曄光說，類器官是在體外培養、能夠自我組裝的微型三維結構，擁有對應器官的細胞類型和類似空間結構，并且能夠模擬器官部分功能。過去，研究者只能通過動物模型了解器官的生長發育。現在，他們能直接“看見”類器官的生長過程。
“和干細胞來源的類器官不同，器官芯片是一種基于人體生物學的仿生微生理系統，通過整合工程學和生物學策略，可在體外模擬人體器官的動態微環境、器官間交互作用以及對外界環境或藥物作用的響應等，為在系統層面開展生物學研究、復雜疾病建模機理和藥物評估等提供了新的策略和工具。”會議執行主席之一、中國科學院大連化學物理研究所研究員秦建華介紹。
長期以來，傳統藥物研發過程中，二維細胞培養和動物模型在仿生人體組織微環境，以及對藥物作用的預測價值等方面仍面臨諸多局限。破解新藥研發困境是促進器官芯片技術發展的重要動力。
器官芯片技術快速崛起于21世紀初。經過10多年發展，研究人員已成功構建心、肝、腸、腦、腎等眾多器官模型，并不斷推動生物醫藥研究創新。在國際積極推動非臨床試驗替代法和盡可能減少動物試驗的背景下，這種新模型、新技術受到越來越多的關注。
將器官芯片與類器官、材料學、工程學等多學科手段結合，可助力生命科學朝著反映更真實的體內環境、更完善的信號調控與監測、更系統的組織器官互作研究、更多突破性的疾病模型構建等方向發展。
關鍵問題有待突破
我國在器官芯片與微生理系統領域的整體研究起步較晚，不過仍取得一些重要進展，并呈現快速發展的態勢。例如，將器官芯片技術率先用于新冠感染模型研究和多器官損傷評估；建立多器官微生理系統，開展肝臟-胰島軸和肺-腦軸模擬以及糖尿病、重大感染性疾病等研究。
當前，仍有一些關鍵科學問題有待解決。“器官芯片模型如何達到高仿真模擬？如何實現精準評估？如何將‘實驗室有效’推進到‘臨床有效’？這些問題涵蓋干細胞與器官發育、器官功能重塑、器官交互作用、多參量表征和微生理系統構建等方面。”秦建華說，解答這些問題需要在微生理系統的基礎理論和關鍵技術等方面實現突破，需要將理性設計、精準模擬、定量表征、數據評估和智能分析等有機結合，還需要大量的科學數據進行驗證。
“以糖尿病、腦卒中、冠心病等泛血管疾病為例，這些疾病可引發多器官、多系統的病理改變。多器官損傷涉及復雜的多器官協同機制，現有研究方法在實時性、系統性和綜合性上仍存在局限。”在中國科學院院士、南京大學醫學院教授顧寧看來，開發能夠在活體環境中實現跨尺度、多維度的多器官關聯實時動態監測的工具和方法，是建立仿生微生理系統和體外生命支持系統需要關注的問題。
中國科學院院士、昆明理工大學教授季維智說：“基于干細胞的多能性，研究人員嘗試構建類器官和器官芯片，以探索器官發育的調控機制，替代動物進行藥物篩選，甚至創造具有人體功能的替代器官。然而，由于對人體器官發生與發育機制的認識尚不充分，目前尚無法構建類似體內的微循環系統，相關技術發展受到限制。”季維智認為，可將器官芯片與干細胞、類器官和實驗動物等方式結合，形成閉環式微生理系統，以充分理解器官發生和發育機制。
中國科學院動物所研究員胡寶洋說，當前，基于干細胞、類器官和器官芯片技術所構建的各類系統相互協同，能較好地模擬組織的結構和部分功能狀態，具有廣泛應用前景。
融合發展前景廣闊
隨著生命科學和工程學的深度融合，將器官芯片與干細胞、基因編輯、類器官、生物3D打印、生物傳感和人工智能等新技術結合，是器官芯片與微生理系統領域的發展趨勢。
其中，生物3D打印技術能將生物材料與細胞、蛋白質等生物單元，依據仿生形態學、細胞微環境要求，精準構建出具有特定功能的體外三維生物模型。“生物3D打印技術構建高度仿生的生物學模型，特別適用于器官芯片和微生理系統。”清華大學教授孫偉說。
不過，器官芯片距離真正應用還有一定距離。深圳理工大學研究員張先恩認為，器官芯片無論是實現“形態模擬”還是“功能模擬”，都需要做大量工作。
專家討論認為，通過生物學、工程學、醫學、藥學和信息學等學科高效融合，有望建立更高仿真度的人體微生理系統，提升我國重大疾病研究和新藥研發原始創新能力。此外，器官芯片和微生理系統領域的發展還涉及倫理、標準制定和科學監管等多方面工作，需要推動新興技術的發展和應用，持續催生原創性、突破性和顛覆性的研究成果，滿足國家重大戰略需求。
秦建華說：“當前生物醫學研究正邁入一個新時代，器官芯片與微生理系統不僅拓展了疾病研究的邊界，還有可能推動未來藥物開發、精準醫療和動物實驗替代技術的革新。如今，我們站在科學與應用的交匯點，共同探索這一革新性生物技術的無限可能，大有可為。”
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