人體器官芯片

秦建華 張敏 于浩 李中玉

人體器官芯片（human organson-chips）是近幾年快速發展起來的一門前沿科學技術，也是生物技術中極具特色而富有活力的新興領域，對人類健康和生物產業發展具有重要戰略意義。它融合了物理、化學、生物學、醫學、材料學、工程學和微機電等多個學科，被2016年達沃斯世界經濟論壇列為“十大新興技術”之一。

人體器官芯片指的是一種在芯片上構建的器官生理微系統，它以微流控芯片為核心，通過與細胞生物學、生物材料和工程學等多種方法相結合，可以在體外模擬構建包含有多種活體細胞、功能組織界面、生物流體和機械力刺激等復雜因素的組織器官微環境，反映人體組織器官的主要結構和功能特征。這種微縮的組織器官模型不僅可在體外接近真實地重現人體器官的生理、病理活動，還可能使研究人員以前所未有的方式來見證和研究機體的各種生物學行為，預測人體對藥物或外界不同刺激產生的反應，在生命科學研究、疾病模擬和新藥研發等領域具有廣泛應用價值。2015年《Nature》雜志發表評論，稱器官芯片是未來可能替代動物試驗的革命性技術。

1 人體器官芯片的崛起

人體器官芯片崛起的動力是生命科學領域快速發展所產生的強烈需求，而以半導體加工方法為核心的微流控技術與細胞生物學交叉研究的成就積累是其得以快速發展的重要保障。長久以來，生命科學和醫學研究的主要目的是為了解析人類生命現象，探究人體生理活動以及疾病過程，并尋求有效治療方案。盡管生命科學領域的快速發展已為改善人類健康發揮了極其重要的作用，但是1個世紀以來，大量的生物學實驗仍依賴于非常簡單的單層細胞培養方式。研究人員將不同來源細胞接種在具有剛性的基板上進行培養，研究觀察多種細胞行為。由于人體的復雜性，這種過于簡化的研究方式不僅難以反映體內復雜的組織器官功能特點，更難以反映人體組織器官對外界刺激產生的真實響應。雖然動物實驗可以提供一定的體內信息，但仍存在種屬差異和對實際人體反應預測能力較差等顯著不足。僅以藥物研發為例，美國食品藥品監督管理局（FDA）調查顯示，每種新藥的研發周期平均長達10年，費用約為5億～10億美元；而約92%的藥物經動物實驗證實安全有效之后，在臨床人體試驗中失敗，從而形成了新藥研發領域高投入、高風險和低產出的尷尬局面。正是這些迫切需求催生了人體器官芯片這一新興技術的出現，同時也為解決上述瓶頸問題提供了一種基于組織和器官水平的創新研究體系和系統解決方案。

2 人體器官芯片的國際發展態勢

人體器官芯片研究的早期報道見諸于2004年，但是，其真正從學術界的廣泛重視轉為政府及產業界的介入則是近幾年的事，其標志性工作是由哈佛大學開展的肺芯片研究。Ingber等開發了一種載玻片大小的兩層肺芯片，用以模擬人體肺泡的氣液界面和肺牽張作用，形成一個類似“呼吸的肺”，這顯示了器官芯片的初級功能化。幾乎在同一時期，筆者研究團隊也從不同角度介入這一領域研究，設計開發腫瘤芯片并用于腫瘤轉移研究。鑒于器官芯片的獨特功能特點和廣泛應用前景，該技術一經出現，很快引起了政府部門、科技界和產業界的高度關注，多國政府陸續設立一系列項目加速開展人體器官芯片研究。

2011年，美國政府率先宣布啟動人體芯片計劃（human-on-chip）。該計劃由美國國立衛生研究院（NIH）組建跨部門協作機構國家高級轉化科學中心（NCATS）負責，并聯合美國FDA和國防部高級研究計劃局（DARPA）共同推進。人體芯片計劃的主要目的是開發人體芯片用于新藥開發和毒性預測領域，計劃投入總計約7500萬美元。近期，美國又在干細胞領域繼續加大布局，支持器官芯片技術用于疾病研究。此外，2017年初，美國空間科學發展中心（CASIS）聯合NCATS和NIH，設立多項基金支持美國國家實驗室開展人體器官芯片空間站試驗，以推進新技術，改善人類健康。2017年4月，FDA作為美國政府官方機構正式宣布對一種肝臟芯片開展系列測試，以確認其能否獲取新藥審批認可的實驗數據，進而來代替動物實驗。

歐盟是世界最大的經濟體，近幾年對人體器官芯片相關研究也有大量投入。特別是，歐洲禁止動物用于化妝品測試等政策的出臺，也極大地促進了對器官芯片這一可能的動物替代性技術的關注。比如，德國柏林工業大學2010年獲得Go-Bio基金支持，歐盟第七框架計劃也包含“人體芯片”項目，以及2016年開始的EU-Tox風險項目等也包含支持器官芯片的部分。這些資金支持極大地推進了世界范圍內器官芯片領域的研究，同時也吸引了更多其他項目和機構進入這一全新領域。令人欣慰的是，近期，我國科技部和中國科學院等相繼在人體器官芯片領域開展布局，設立不同專項支持，體現了政府部門和科學界對這一新興前沿技術的關注和支持。同時，國際器官芯片領域的主流刊物《Lab on a Chip》自始，連續出版系列專輯介紹器官芯片的最新研究成果。2015年，第一屆世界器官芯片大會在美國波士頓召開。2017年6月，在瑞典召開微流控諾貝爾論壇，筆者受邀參加并做器官芯片主題報告。

與此同時，由于人體器官芯片具有廣泛應用空間和產業化前景，一些企業也紛紛涉足這一高新技術領域，一個新興的器官芯片產業正在初步形成之中。Emulate、CN Bio、CN Bio Innovations 等一批致力于器官芯片研發的新型初創生物公司陸續涌現；大型制藥企業和化妝品公司（如默克、歐萊雅、強生、羅氏和賽諾菲等企業）也開始介入這一領域，例如輝瑞公司宣布將Draper公司的器官芯片技術用于藥物研發。

無疑，人體器官芯片的出現已形成了由政府、學術界和產業界三方聯動的助推模式，顯示出世界范圍內對這一變革性技術的關注和期待，也使這項技術形成了一種迅猛發展以及加速轉化應用的態勢，有可能成為競爭新一輪科技革命的戰略制高點之一。

3 人體器官芯片的研究進展

人體器官芯片是生物芯片領域發展最快、應用前景最為明確的方向之一，近年來已經取得了顯著進展——在微芯片上構建的組織器官類型逐漸增多，“心臟芯片”“肺芯片”“肝臟芯片”“血管芯片”和“腸芯片”等多種器官芯片相繼出現，同時包含多個組織器官的“多器官芯片”也陸續見于報道，這顯示出器官芯片技術在疾病研究、個性化醫療和藥物開發中的巨大應用潛力。

3.1 肺芯片

肺是人體的呼吸器官，肺泡是肺部氣體交換的主要部位。傳統生物學研究方法難以在體外模擬肺泡復雜的細胞組成及周期性的呼吸運動。肺芯片研究主要集中于氣血屏障構建、機械壓力、流體剪切力作用研究及病理生理過程模擬。例如，Ingber課題組開展了一系列肺芯片構建及肺相關疾病研究，構建了一種雙層夾膜芯片以模擬人肺的呼吸過程。研究發現，在氣體通道中加入TNF-α、二氧化硅納米顆粒和細菌均能誘導血管內皮細胞黏附分子（ICAM）表達增加，并促進下層通道循環流體中中性粒細胞的黏附。在肺芯片基礎上，通過在微通道中加入白細胞介素2（IL-2），建立了肺水腫病理學模型；利用慢性阻塞性肺病病人樣本，體外模擬了病毒性或細菌性感染誘導的肺部炎癥惡化，這與在慢性阻塞性肺疾病（COPD）病人病理標本中的觀察結果類似。該系列研究證實了肺芯片不僅可以模擬肺部疾病的病理過程，也發現了周期性呼吸運動在肺部疾病發生發展中的重要作用，為呼吸系統疾病研究提供了一種新的思路。

3.2 肝芯片

肝臟是人體內最重要的毒素、藥物代謝器官，由具有復雜多細胞成分和管道結構的肝小葉構成。如何在體外實驗中長時間地維持肝細胞的生物學特性與功能是肝組織工程學研究的難點。目前，肝芯片研究主要集中于在芯片上建立多種細胞組成的功能化肝組織生理學模型，如膽小管、肝小葉和肝血竇等，并將其應用于藥物ADMET動力學分析及藥物毒理評價。例如，Lee等成功構建了人工肝竇芯片，采用具有高度滲透性的內皮間隙結構將原代肝細胞與外部血竇樣區域分離，所構建的肝模型更加接近人體內的真實形態，并能更好地保持肝臟特異性功能。也有研究顯示，成纖維細胞、肝星形細胞以及人誘導性多能干細胞來源的血管內皮細胞等其他細胞及流體因素參與肝芯片模型建立，對于促進肝細胞發育、白蛋白分泌、糖原合成以及藥物代謝等肝臟功能也具有重要意義。如何利用器官芯片技術的微環境多維可控特點，更好地實現肝組織功能化并集成高通量分析是肝芯片研究的重點。

3.3 腎芯片

腎臟是人體重要的排泄器官，對維持體內滲透壓與自穩態具有重要的作用，也是藥物排泄的主要器官。腎單位是腎臟的結構單位，由腎小球、腎小囊和腎小管共同構成，也是腎臟發揮濾過與重吸收功能的基礎。腎芯片研究主要集中在腎單位結構和功能的模擬，以及在此基礎上的腎臟疾病病理微環境模擬和疾病機制研究。例如，有研究者在芯片上模擬了腎單位結構中的腎小球、近曲小管和遠曲小管，并初步實現了血樣樣本濾過、原尿形成和尿素的重吸收。也有研究關注于流體剪切力對腎單位細胞骨架、離子、糖及藥物等物質轉運的影響，驗證了流體因素對于腎功能研究的重要性。筆者團隊利用腎小管細胞構建腎纖維化病理模型，研究證實了補體C3a在腎間質纖維化過程中的關鍵作用。

3.4 血腦屏障芯片

血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）是人腦中介于血液和腦組織之間的一道生理性屏障，對維持中樞神經系統的生理活動和腦內微環境穩態至關重要，而建立近生理的BBB體外模型有利于推動神經系統藥物研發進程。Shao等通過在芯片微通道的膜上培養微血管內皮細胞，施加流體刺激構建了動態BBB模型，模擬了藥物誘導腦細胞毒性反應的過程。Wang等使用腦微血管內皮細胞與大鼠原代星形膠質細胞在多孔膜兩側共培養，構建了BBB模型。為反映BBB模型更接近生理環境的功能特征，筆者團隊利用器官芯片技術特色性構建了包含多種腦細胞、細胞外基質和機械流體條件等關鍵要素的高通量動態三維BBB模型，驗證了其近生理環境的結構功能特性，并利用該模型開展了對臨床抗腫瘤藥物的篩選評價，為腦腫瘤研究和藥物研發提供了一種新的思路。

3.5 多器官芯片

隨著器官芯片技術的發展，在芯片上同時構建多個器官的“多器官芯片”成為當前研究的熱點。而人體芯片的最終形式將擁有10種以上的器官類型，包括肝、腸、心、腎、腦、肺，以及生殖系統、免疫系統、血管系統和皮膚等。人體芯片將能夠監控藥物對芯片上“人體”的反應，并最終勘察出藥物對不同器官或整個系統的藥理和毒性作用。“多器官芯片”可在不同功能區域同時構建多個組織器官，并通過芯片管道（模擬人體血管）相連接，模擬人體對特定物質的吸收、代謝、轉化和排泄過程。目前已有研究者嘗試在一個芯片上實現對腸、肝、皮膚和腎等類器官的長時間共培養，細胞均保持高活性并能夠自發形成功能結構，實現系統自穩態。此外，為實現多器官芯片的信息采集處理，將多模式傳感技術與芯片進行集成是未來的發展趨勢。已有研究者開發了一種可集成電化學及免疫傳感模塊的多器官芯片，可同時監測組織培養微環境參數（pH值、O2濃度、溫度等）及與組織功能相關的可溶性生物標志物。

4 人體器官芯片的應用領域

人體器官芯片技術研究的創新思想建立在充分了解人體的復雜組織器官結構和生理功能特點的基礎上，它為藥物研發、疾病研究、化學品、毒素以及化妝品測試等領域提供了一種近生理的體外模型，在多個領域具有廣泛應用價值。

4.1 藥物評價

藥物評價主要是研究藥物與人體之間的作用及規律，根據藥物吸收、分布、代謝、排泄（ADME）的體內過程，確定其有效性及安全性。器官芯片可反映這種藥物在體內的動態變化規律和人體器官對藥物刺激的真實響應，彌補了現有模型與人體偏差較大的不足，構成一種藥代、藥效、毒性三位一體的成藥性評價技術體系。目前已有諸多研究用器官芯片開展藥物評價的工作，如：Shuler課題組通過可控的流體操控在肝-腫瘤多器官芯片，建立基于生理學的藥代動力學模型（PKPD），預測人體對藥物的反應。筆者課題組也構建了一種研究藥

4.2 疾病研究

在疾病研究領域，器官芯片對于重現人類疾病特征、研究多因素參與的疾病病理機制提供了新的機遇。盡管器官芯片技術對人體生物學組織器官構成進行了一定程度的簡化，但該技術在重建復雜器官功能和人體病理生理學特征方面仍具有不可替代的作用。比如，利用腸芯片可以實現對多種組織細胞的共培養，包括上皮組織細胞、免疫細胞及共生細菌、致病菌等，從而可用來研究炎性腸病發病過程中細菌和淋巴細胞的相互作用特性。筆者團隊也成功構建了含有原代腎小球組織、基質成分和血管樣機械流體的腎芯片模型，反映糖尿病腎病發生過程中早期腎小球損害的主要病理變化特點，結果顯示出與體內典型病理生理過程的相關性。

隨著干細胞領域研究的快速發展，人體器官芯片在利用人多能干細胞建立疾病模型等方面也已取得進展。有研究報道，利用患者來源干細胞，可在芯片上構建功能性心臟組織，模擬遺傳性心臟病模型（Barth綜合征）。采用患者體細胞來源干細胞構建的特定病人“個性化人體芯片”，將使個體化的疾病風險預測、藥物藥效評價、毒理評估和預后分析成為可能。筆者團隊將器官芯片技術與干細胞發育學原理相結合，實現了對人誘導多能干細胞來源類腦器官模型的工程化構建，并用于研究環境因素暴露對腦早期發育的影響。

4.3 毒理學評價

隨著經濟的高速發展和人們對人體和環境安全重視度提高，亟需出現更為科學、高效、經濟的毒性測試方法來滿足人們對化學品、藥品、農藥、食品添加劑和化妝品等各種化學物質進行安全風險評估的需求。由于人體的復雜性，現有的體外評價模型和動物實驗并不能準確地反映人體對危害因素的反應。將器官芯片應用于環境污染物、化學品、納米顆粒、生物毒素、物理輻射等毒理學測試領域，具有巨大的應用空間。可以更好地模擬人體對化合物、細菌、毒素真實反應，顯著減少毒性評估的成本和時間，是毒性測試動物替代技術研究的前沿領域和研究熱點。

5 結語與展望

人體器官芯片是人類健康領域的未來技術，在疾病研究、個性化醫療、毒性預測和新藥研發等領域的作用和優勢日益呈現，其發展前代、藥效、毒理三位一體成藥性過程的多器官芯片。該芯片采用卡培他濱為模型藥物，研究其經肝細胞代謝后生成的代謝物對不同組織的作用。此外，還構建了肝-腎、腸-腎復合器官芯片模型，開展藥物肝代謝、腸吸收及腎毒性研究。采用器官芯片進行藥代、藥效、毒理研究，對獲得更為可靠的測試數據、減少動物實驗數量具有重要意義。景吸引了世界范圍的關注，孕育著重要的科學進步。隨著該技術的長遠發展，在未來利用人體器官芯片有可能構建一種“類人”的生命模擬系統，并將有可能徹底改變人們了解自身的方式，為生命科學和醫學研究提供一種整體性和系統性的解決方案，在生命科學和醫學等多個領域發揮重要作用。

盡管人體器官芯片研究已取得顯著進展，但其未來發展仍面臨著諸多挑戰，比如：如何建立更符合人體生理的器官芯片體系，如何實現多種器官的功能關聯性和兼容性，以及如何實現芯片標準化和集成傳感檢測等。伴隨著巨大應用需求和市場驅動，人體器官芯片與干細胞、組學技術、基因編輯、合成生物學、高分辨成像、大數據和人工智能等領域的深度融合發展將是未來的發展趨勢。目前，中國科學院在干細胞和生物傳感等多個領域都已達到國際先進水平，面臨時不我待的新形勢，如果能及時抓住機遇，集成多個優勢領域進行前瞻布局，加大投入，將有利于促進我國人體器官芯片的快速發展，并帶動相關產業，也勢必有利于我國在新一輪國際競爭中占據有利地位。●