迷你器官芯片，撬動生物醫藥未來

現在你捏起了一塊透明的材料，比硬幣大不了多少，質地柔軟、有彈性，分布著一藍一紅兩條簡潔的通道。

如果告訴你，這是一種另類的“人體器官”，待接入電機和動力裝置，一個微型的“人體器官系統”就開始運轉——請不要驚訝，這并非科幻片中的情節。

它叫作器官芯片，是圍繞人體某一器官的細胞而構成的微生理系統。科學家們借助計算機微芯片的制造方法，將目標器官的細胞注入其中，并通過各類“通道”輸入氧氣、培養液等，構建出接近于人體內的生長環境，使細胞具有生長活性。

這樣，在一種工程化的手段下，人的器官被“移”進了一片薄薄的、可供疾病和藥理研究的芯片里。

聽起來似乎離我們很遙遠，但通過生物醫藥的研發和應用鏈條，器官芯片的革新性或許不久就會為我們所感知。

動物實驗的“替代方案”

當一枚器官芯片出現在眼前，它給人的感覺是，非常簡潔。為了便于光學觀察，它必須透明且輕盈；為了模擬人體的柔軟和彈性，讓細胞貼附，它用一種名為聚二甲基硅氧烷（PDMS）的有機硅材料做成。

但它可以很復雜。紅、藍兩條通道，不過是對氧氣和培養液等流體的簡要呈現。實際上，它可以構造出更多的通道，以接通聲波、電磁等等任何需要給出環境模擬的信號。

在內部，透明的工程膜組成了器官細胞的微觀組織界面。例如，一枚注入肺泡器官細胞的芯片，分為上皮細胞、基底膜、內皮細胞三層，以模擬真實的肺泡結構及其功能。

“相當于把我們的微組織器官直接‘復刻’到芯片上來，再通過電、熱、生化等環境的人為控制，實現對器官細胞反應狀態的觀察和分析。”安徽駱華生物科技有限公司研發部負責人劉亮亮說。駱華生物是一家脫胎于中國科學技術大學技術轉化的公司，自2019年起專注于器官芯片的開發與生產。

這樣的設計，最開始是為了解決藥物測試的難題——動物實驗的成本實在是太昂貴了。

新藥研發存在著殘酷的“雙十定律”：平均花費10年時間、10億美元，才有可能研發出一款新藥，并且，大約只有10%的新藥能被批準上市。而藥物在進入臨床研究前，普遍需要在動物模型上驗證有效性和安laKzm/NCH6xHfZaPvP4oLg==全性。

但是，動物并不是足夠好的藥物評價工具。一方面，動物的生理系統與人類相去甚遠，其藥物效果評估不一定準確適用于人體；另一方面，動物實驗具有倫理壓力。

因此，更能準確再現和反映人體真實生理環境和藥物反應的生理模型，也就是動物實驗的“替代方案”，一直是制藥界的追求。

2010年，哈佛大學唐·英伯格教授等人構建的肺器官芯片成果在《科學》上得到發表，器官芯片由設想落地為現實。到今天，器官芯片已經發展到肝、心臟、腸、腎、血管、腫瘤組織等等類型。

這些器官芯片，正在滲透藥物研發的關鍵環節。

“目前，我們正在跟藥企合作一個高尿酸血癥模型，它針對的是痛風特效藥的開發。”駱華生物創始人、董事長苗春光介紹。當前市面上治療痛風的特效藥種類少、副作用大，一個重要原因是，在動物試驗階段，小鼠的生理模型不夠精準，鼠類的代謝系統與人體不同。“高尿酸血癥的發病機制，無法在動物身上完全重建出來。”

而“復刻”人體器官微環境的器官芯片，能夠盡可能“逼真”描述藥物吸收、分布、代謝、排泄的人體過程，從而不僅讓藥物測試更精準，而且研發成本更低。

早在2015年，苗春光在中國科學技術大學的科研團隊中，開始接觸器官芯片技術。他敏銳地嗅到，這項技術會產生巨大的變革。2019年，駱華生物成立，從一支科研團隊轉向生物科技公司。

古裝劇里常演的“替身試藥”，在今天能夠以一種更加精確、無副作用的方式實現了。

“我們可以把器官芯片定義為一個生命科學工具。作為一家BioTech公司，我們用器官芯片來做生命科學工具，希望用這個工具為藥企減少成本、降低風險。”苗春光說。

顛覆性的生命科學潛能

作為一對名字相近的前沿技術，器官芯片常被與類器官相提并論，甚至混為一談。它們的確共享著相似性：都作為“體外器官”，通過對人體生理模型的構建，更好地展開疾病和藥理研究。

但二者的技術路線實際上截然不同。類器官是生物學路徑的產物，利用成體干細胞或多能干細胞進行體外3D培養，形成近似于人體器官的“細胞團”。器官芯片則屬于生物工程學領域，其構建透露著“工程化”思維。

“傳統做模型的路徑是靜態的，但我們的生理系統處在不斷循環的‘動’的過程中，所以做模型一定要做微環境。”苗春光說。

這種環境，指的是在物理、生化、電氣、機械、結構等方面的微生理環境，細胞在其中培養，才具有器官或組織功能。

工程設計的思路，使得器官芯片更加“可干預”，通過接入各種裝置，模擬化學梯度、生物力學，從而精確控制生物化學和細胞環境，實現對細胞的動態培養，以提高仿生度。另一方面，也有利于對細胞活動進行高分辨率、實時成像的觀測和分析。

這是一項精細的工程。駱華生物研發部負責人劉亮亮介紹，一枚器官芯片的制作，從結構設計到材料制備，往往涉及細胞生物學、生物醫學工程、材料學、流體力學、藥學等多個學科的知識。和微電子芯片一樣，器官芯片也要通過光刻機來制造，只不過精度需求僅在微米尺度。

除了用于藥物評估，基于相似的原理，器官芯片可以用來做疾病研究（疾病病理機制的發現）、環境毒理檢測、化妝品檢測、精準醫療等。在更開闊的想象里，器官芯片還可以應用于航天醫學和“返老還童”的再生醫學。

精準醫療或許是一個普通人能夠感知到的例子。一位腫瘤患者，服用化療藥物的代價是高昂的，每個人對藥物的敏感性不同，用藥的種類、劑量難以“一步到位”，只能親身試用，這個過程會給人帶來巨大的痛苦。同時，伴隨著至少接近3個月的試用周期。

通過對患者本人的腫瘤組織的復刻，器官芯片能夠代替其“試藥”，進行腫瘤藥物檢測，從而篩選出患者適用的藥物，“量身打造”治療方案。同時，大大縮短試藥的周期。“一般不到一個月就可以完成測試。”劉亮亮說。這對于“時間就是生命”的癌癥患者來說，無疑有著巨大的意義。

古裝劇里常演的“替身試藥”，在今天能夠以一種更加精確、無副作用的方式實現了。還不止于此，器官芯片和類器官的應用，能夠推動對更多罕見病和人類特異性疾病的研究，這些都是過去難以利用傳統生物進行建模，或難以開展大規模臨床試驗的棘手領域。

作為一項“工程化”思維十足的前沿生物科技，器官芯片與AI的融合水到渠成。例如，器官芯片的實時觀測生成海量的高內涵圖像信息，AI能夠對其進行細微的跟蹤分析。高通量器官芯片——也就是集成多個單一器官芯片以進行大量的快速篩選，能夠配合AI數據分析，精準發現藥物靶點。

與AI搭檔，器官芯片能夠實現快速設計、驗證、迭代，從而提高研發效率。這也是其誕生于生物學和工程學交叉路口的天然優勢。

撬動格局

2022年，被認為是類器官和器官芯片行業的關鍵之年。這一年，FDA修訂法案不再要求在藥物臨床試驗前進行動物實驗，緊跟著，批準了全球首個完全基于器官芯片研究數據的新藥進入臨床。

事實上，美國政府在2011年就看到了器官芯片的巨大機遇，宣布啟動人體芯片（Human-on-Chip）計劃，由NIH、FDA和國防部牽頭，將其上升至國家戰略層面。歐盟也在政策和資金支持方面給予器官芯片極大推進，如出臺動物禁止用于化妝品測試的政策等。

中國器官芯片行業緊隨其后。

“這幾年，器官芯片的應用場景逐漸明朗，國家也陸續出臺了一些支持政策。”苗春光說，他感受到從2022年起，行業的熱度持續提升，對器官芯片的市場認知在逐漸擴散，“有了一個比較大的增長”。據梳理，2022年中國類器官與器官芯片行業融資總額接近4億元。

2021年以來，類器官前沿技術被列入國家科技部“十四五”重點項目研究計劃，CDE首次將類器官技術作為基因及細胞治療的有效性和安全性驗證手段，為器官芯片企業打開了鼓勵探索的窗口。

“這些年從設備到細胞材料，再到培養技術，一起飛速向前，國內器官芯片這一塊就發展得比較快。”劉亮亮也有相同的感受。

生物醫藥是一場“燒錢”游戲，中國在最近十年隨著經濟水平的發展躋身其中，但依然面臨著歐美大型藥企制定的隱形游戲規則。器官芯片或許是一個撬動格局的杠桿。

他說到一個故事，光刻機的國產化替代，造福了器官芯片行業。前幾年，公司從英國購買的一臺先進光刻機壞了，因為技術封鎖，工程師過不來，半年后才找到人修。而現在國產光刻機的選擇很多，價格也更便宜，“不一定要買進口的了”。

《類器官與器官芯片行業白皮書》指出，當前國外政策、資金更到位，研究開展更早，類器官與器官芯片整體產業發展進度快于國內。

缺乏統一的行業標準和規范，是器官芯片所面臨的一大挑戰。即使對于同一類的器官芯片，各器官芯片企業的產品形態不一，藥企和醫院等購買方也就難以比較其質量。另外，目前缺少大規模的臨床數據驗證，也制約著器官芯片打開市場。

《白皮書》分析道，國家相關機構的重視與鼓勵支持、類器官與器官芯片本身的技術成熟度、臨床驗證情況以及商業化等因素，都會直接影響相關標準和規范的制定。

不過，苗春光對器官芯片的未來充滿信心。“器官芯片是生物醫藥領域的顛覆者，當然這段路還有很長。和美國相比，我認為我們的優勢是龐大的市場。中國有龐大的患者群體，可能在應用場景上，我們會跑得比他們快。”

他提到，器官芯片的下一個機遇期有可能是類腦芯片帶來的生物計算。駱華生物研發團隊中，有來自中國科學技術大學類腦智能國家工程實驗室的研究人員，團隊目前的重點是通過腦芯片做生物計算機。簡單來說，也就是讓芯片模擬人腦的功能，進行大量計算。

“當下的人工智能算力平臺是‘硬算’，通過大量的能耗來堆砌。但如果使用類腦芯片驅動計算，就可能用很少很少的能源來實現大量的、學習效率更高的計算。”

苗春光介紹，目前團隊已完成腦類器官和神經芯片的研發工作，接下來要做的是“捋順計算邏輯”。

“如果中國能夠在器官芯片的國際競爭中領先，就能夠制定一個世界級的規則。”苗春光說。生物醫藥是一場“燒錢”游戲，中國在最近十年隨著經濟水平的發展躋身其中，但依然面臨著歐美大型藥企制定的隱形游戲規則。器官芯片或許是一個撬動格局的杠桿。“我們做器官芯片是想把這個規則打破，不需要那些規則，你也可以做出很好的藥。”