人体器官芯片的医学研究应用

方寸之间的小小芯片上，能培养出跳动的“心脏”、呼吸的“肺”、流动的“血管”……人体器官芯片正成为生物医学研究中的热门新工具。这些人体器官芯片，可部分代替动物和临床试验。基于这一技术，科学家们还有更远大的理想：使用数字化手段再现生命和疾病过程，从而实现精准医疗。近日，记者探访东南大学生物电子学国家重点实验室，走近神秘的人体器官芯片和“数字克隆人”。

血管芯片

脑瘤芯片

解密“人体器官芯片”

“人体器官芯片是建立在组织工程和微流控芯片等技术上的，结构看起来很简单。”在东南大学四牌楼校区，生物科学与医学工程学院院长顾忠泽，从实验室里拿出一张宽约2厘米、长约5厘米的透明芯片，上有通道、薄膜和导管。“是不是有点像透明的集成电路？不过，它的管道里流的不是电子，而是液体。”

据介绍，人体器官芯片就是在人体外模拟出人体内部环境——可以是某一组织、某一器官，甚至是多个器官的组合。那么，怎样将人体组织器官“种”在芯片上呢？“简单来说，就是在微流控芯片中搭建一个目标组织或器官的三维模型，通过细胞培养构建出具有三维结构的微型组织和器官。”顾忠泽说。由于培养的组织器官和实现的功能不一样，各类芯片都需要单独设计。

比如，构建心脏芯片时需要模拟心肌组织的跳动，而构建肺芯片时则需要模拟肺泡中的气体交换。目前构建的心脏芯片可以实现连续80天以上的跳动。此外，还有脑芯片、肝芯片、肾芯片、肿瘤芯片、血管芯片、皮肤芯片……科学家正尝试在小小的芯片上“种”出一个个人体组织器官。

“现在，东南大学已经研发出多种器官芯片，在此基础上，我们还将研发多器官集成的芯片系统。”顾忠泽介绍，该芯片系统就像是一个由多个人体器官或组织构成的集成电路，培养液贯穿各个组织器官，从而形成一个小小的“芯片上的人”。而之前有消息称，麻省理工的科学家已将十种人体器官微型模型连接在一起，虽然该系统仅存活了四周，却让科学家测试到常见止痛药对多个器官的影响。

助力个性化的精准医疗

人体器官芯片可以有效模拟人体生理、病理状态的功能，进行部分临床替代试验，对精准医疗有重要意义——科学家已经能使用患者的细胞，制造出一张患者的器官芯片，以寻找最适合患者的药物或者治疗方法。顾忠泽举例道，“比如我们从人的肿瘤里取出细胞放进芯片培养，长成一个微小肿瘤，这样就可以在肿瘤芯片上去做个性化药物试验，我们可以导入药物，观察治疗肿瘤的效果，进行药物筛选。”

除了精准医疗，人体器官芯片还将改变药物研发的模式，极大地降低药物研发成本，“用人体器官芯片来实现替代动物试验将是革命性的。”顾忠泽说。

目前，在苏州高新区和江苏省产业技术研究院的支持下，东南大学苏州医疗器械研究院已在进行人体器官芯片的产业化研究，“我们研发的肿瘤芯片、皮肤芯片已开始迈向产业化。肿瘤芯片跟南京脑科医院、东南大学附属中大医院合作进行临床研究，哥伦比亚大学也在和我们洽谈购买芯片和装置。此外，还跟中国航天员科研训练中心、英国伯明翰大学等多个科研机构进行合作。”

“目前，我们做的还是实体的人体器官芯片，未来，我们希望能构建‘数字克隆人’。”顾忠泽认为，生命科学和医学发展的一个趋势是，使用数字化的手段再现生命和疾病过程。

用“数字克隆人”模拟生命过程

自上个世纪90年代人类基因组计划成功实施以来，无论从个体的单一维度到群体的多维度，还是从健康状态到疾病病理状态，各种生物医学国际合作项目不断涌现，产生了大量的生物医学数据。这些数据揭示了一个基本的规律：生命是数字的。即，动态复杂的生命过程可以用数字化的状态呈现，也可以通过计算来模拟和预测。

顾忠泽介绍，“数字克隆人”，具体来说，就是采集从分子到细胞到组织器官到人体系统的跨尺度、全生命周期的高质量生物医学数据，并通过人工智能、虚拟现实等技术手段，构建个性化、具有自我演绎功能的“数字人”。“它能通过模拟人的生命过程，实现生命科学研究和生物医药产业中的动物和临床试验替代。”

而要实现“数字克隆人”的目标，需要解决两个关键科学技术问题：一是如何采集数据；二是如何使用数据构建模型，模拟生命过程。