持續(xù)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(huán)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(tǒng)是當前生命科學領域最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d方向之一。它融合了多個學科，可在體外模擬人體器官微環(huán)境，形成一種仿生的微生理系統(tǒng)，為生命科學、醫(yī)學研究和新藥研發(fā)等領域帶來前所未有的發(fā)展機遇。
為深入研討器官芯片與微生理系統(tǒng)領域的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來趨勢，日前，主題為“器官芯片與微生理系統(tǒng)”的第770次香山科學會議在北京召開。
創(chuàng)新工具助力研發(fā)
生命系統(tǒng)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(fā)生與發(fā)展機理，從而開發(fā)有效策略以滿足生命健康需求。
以藥物研發(fā)為例，目前新藥研發(fā)速度遠遠跟不上疾病治療需求，且失敗率居高不下。據(jù)介紹，單藥研發(fā)成本高達20億至30億美元，從藥物研發(fā)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(huán)境的體外模型，從而縮短藥物研發(fā)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(yǎng)、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(fā)育。現(xiàn)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(tǒng)，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(tài)微環(huán)境、器官間交互作用以及對外界環(huán)境或藥物作用的響應等，為在系統(tǒng)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(zhí)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(tǒng)藥物研發(fā)過程中，二維細胞培養(yǎng)和動物模型在仿生人體組織微環(huán)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(fā)困境是促進器官芯片技術發(fā)展的重要動力。
器官芯片技術快速崛起于21世紀初。經(jīng)過10多年發(fā)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(yī)藥研究創(chuàng)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(huán)境、更完善的信號調控與監(jiān)測、更系統(tǒng)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(fā)展。
關鍵問題有待突破
我國在器官芯片與微生理系統(tǒng)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(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)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(tǒng)，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(xiàn)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(fā)育、器官功能重塑、器官交互作用、多參量表征和微生理系統(tǒng)構建等方面。”秦建華說，解答這些問題需要在微生理系統(tǒng)的基礎理論和關鍵技術等方面實現(xiàn)突破，需要將理性設計、精準模擬、定量表征、數(shù)據(jù)評估和智能分析等有機結合，還需要大量的科學數(shù)據(jù)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(fā)多器官、多系統(tǒng)的病理改變。多器官損傷涉及復雜的多器官協(xié)同機制，現(xiàn)有研究方法在實時性、系統(tǒng)性和綜合性上仍存在局限。”在中國科學院院士、南京大學醫(yī)學院教授顧寧看來，開發(fā)能夠在活體環(huán)境中實現(xiàn)跨尺度、多維度的多器官關聯(lián)實時動態(tài)監(jiān)測的工具和方法，是建立仿生微生理系統(tǒng)和體外生命支持系統(tǒng)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(fā)育的調控機制，替代動物進行藥物篩選，甚至創(chuàng)造具有人體功能的替代器官。然而，由于對人體器官發(fā)生與發(fā)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(huán)系統(tǒng)，相關技術發(fā)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(huán)式微生理系統(tǒng)，以充分理解器官發(fā)生和發(fā)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(tǒng)相互協(xié)同，能較好地模擬組織的結構和部分功能狀態(tài)，具有廣泛應用前景。
融合發(fā)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(tǒng)領域的發(fā)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(jù)仿生形態(tài)學、細胞微環(huán)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(tǒng)。”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(xiàn)“形態(tài)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(yī)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(tǒng)，提升我國重大疾病研究和新藥研發(fā)原始創(chuàng)新能力。此外，器官芯片和微生理系統(tǒng)領域的發(fā)展還涉及倫理、標準制定和科學監(jiān)管等多方面工作，需要推動新興技術的發(fā)展和應用，持續(xù)催生原創(chuàng)性、突破性和顛覆性的研究成果，滿足國家重大戰(zhàn)略需求。
秦建華說：“當前生物醫(yī)學研究正邁入一個新時代，器官芯片與微生理系統(tǒng)不僅拓展了疾病研究的邊界，還有可能推動未來藥物開發(fā)、精準醫(yī)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(xù)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(huán)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(tǒng)是當前生命科學領域最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d方向之一。它融合了多個學科，可在體外模擬人體器官微環(huán)境，形成一種仿生的微生理系統(tǒng)，為生命科學、醫(yī)學研究和新藥研發(fā)等領域帶來前所未有的發(fā)展機遇。
為深入研討器官芯片與微生理系統(tǒng)領域的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來趨勢，日前，主題為“器官芯片與微生理系統(tǒng)”的第770次香山科學會議在北京召開。
創(chuàng)新工具助力研發(fā)
生命系統(tǒng)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(fā)生與發(fā)展機理，從而開發(fā)有效策略以滿足生命健康需求。
以藥物研發(fā)為例，目前新藥研發(fā)速度遠遠跟不上疾病治療需求，且失敗率居高不下。據(jù)介紹，單藥研發(fā)成本高達20億至30億美元，從藥物研發(fā)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(huán)境的體外模型，從而縮短藥物研發(fā)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(yǎng)、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(fā)育。現(xiàn)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(tǒng)，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(tài)微環(huán)境、器官間交互作用以及對外界環(huán)境或藥物作用的響應等，為在系統(tǒng)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(zhí)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(tǒng)藥物研發(fā)過程中，二維細胞培養(yǎng)和動物模型在仿生人體組織微環(huán)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(fā)困境是促進器官芯片技術發(fā)展的重要動力。
器官芯片技術快速崛起于21世紀初。經(jīng)過10多年發(fā)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(yī)藥研究創(chuàng)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(huán)境、更完善的信號調控與監(jiān)測、更系統(tǒng)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(fā)展。
關鍵問題有待突破
我國在器官芯片與微生理系統(tǒng)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(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)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(tǒng)，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(xiàn)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(fā)育、器官功能重塑、器官交互作用、多參量表征和微生理系統(tǒng)構建等方面。”秦建華說，解答這些問題需要在微生理系統(tǒng)的基礎理論和關鍵技術等方面實現(xiàn)突破，需要將理性設計、精準模擬、定量表征、數(shù)據(jù)評估和智能分析等有機結合，還需要大量的科學數(shù)據(jù)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(fā)多器官、多系統(tǒng)的病理改變。多器官損傷涉及復雜的多器官協(xié)同機制，現(xiàn)有研究方法在實時性、系統(tǒng)性和綜合性上仍存在局限。”在中國科學院院士、南京大學醫(yī)學院教授顧寧看來，開發(fā)能夠在活體環(huán)境中實現(xiàn)跨尺度、多維度的多器官關聯(lián)實時動態(tài)監(jiān)測的工具和方法，是建立仿生微生理系統(tǒng)和體外生命支持系統(tǒng)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(fā)育的調控機制，替代動物進行藥物篩選，甚至創(chuàng)造具有人體功能的替代器官。然而，由于對人體器官發(fā)生與發(fā)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(huán)系統(tǒng)，相關技術發(fā)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(huán)式微生理系統(tǒng)，以充分理解器官發(fā)生和發(fā)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(tǒng)相互協(xié)同，能較好地模擬組織的結構和部分功能狀態(tài)，具有廣泛應用前景。
融合發(fā)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(tǒng)領域的發(fā)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(jù)仿生形態(tài)學、細胞微環(huán)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(tǒng)。”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(xiàn)“形態(tài)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(yī)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(tǒng)，提升我國重大疾病研究和新藥研發(fā)原始創(chuàng)新能力。此外，器官芯片和微生理系統(tǒng)領域的發(fā)展還涉及倫理、標準制定和科學監(jiān)管等多方面工作，需要推動新興技術的發(fā)展和應用，持續(xù)催生原創(chuàng)性、突破性和顛覆性的研究成果，滿足國家重大戰(zhàn)略需求。
秦建華說：“當前生物醫(yī)學研究正邁入一個新時代，器官芯片與微生理系統(tǒng)不僅拓展了疾病研究的邊界，還有可能推動未來藥物開發(fā)、精準醫(yī)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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