“借助微加工、3D打印、纳米自组装等技术，我们‘盖’出了模拟人体环境的‘房子’，再往里面输入相关细胞，就能‘长’出对应器官，获得器官芯片。”
顾忠泽（右二）为学生讲解器官芯片
8月底，“2024（第四届）类器官大会——类器官与新药研发”在北京召开。两个月前，中国类器官与器官芯片产业高峰论坛在武汉举行，光谷类器官与器官芯片产业创新联盟成立。
当前，作为具有颠覆性的前沿技术，器官芯片研发不断升温，产品亦走进现实——从个人身体上取出部分组织，在体外培养一个直径可能只有1毫米甚至更小的“迷你器官”，由它代替人体试验药物。
东南大学数字医学工程全国重点实验室，在近500块小芯片上，正生长着跳动的“心脏”、呼吸的“肺”、流动的“血管”……这里诞生了国内首批器官芯片研究团队、首块获批新药临床研究的心脏器官芯片，还有全球首块太空血管组织芯片。
中国首块太空血管器官芯片，由东南大学数字医学工程全国重点实验室和中国航天员科研训练中心合作研制
东南大学数字医学工程全国重点实验室主任、东南大学生物科学与医学工程学院院长顾忠泽表示，随着器官芯片技术的进步，药物研发、精准医疗、环境评估、航天航空甚至美容等领域都可能实现前所未有的突破。
再造肿瘤“替身”
“总算摆脱轮椅了。”在复旦大学附属肿瘤医院骨肿瘤科医生黄稳定的门诊室，来自山东的卢洪（化名）复查时开心地说，经过三次化疗，他的生活终于能自理了，疼痛也从9分缓解到2分（疼痛评级从1到10，数字越高表示越痛）。
“这样的疗效离不开器官芯片的应用。”黄稳定回忆称，三个月前，年过六旬的卢洪坐在轮椅上，被两个孩子推进诊室。他被诊断为肠癌骨转移，肿瘤严重压迫神经，多次化疗和放疗均不能遏止肿瘤扩散。
“对于骨肿瘤患者，临床上主要靠手术联合化疗和放疗，医生开药多是根据经验，这个效果不好就换那个。因此对于患者来说，传统用药方式就像拆盲盒。我向卢洪介绍了器官芯片，他愿意试试这种个性化的精准医疗。”黄稳定表示。
实验室对卢洪的肿瘤组织开展了基因测序，随后开始培育细胞、制备器官芯片。
“借助微加工、3D打印、纳米自组装等技术，我们‘盖’出模拟人体环境的‘房子’，再往里面输入相关细胞，就能‘长’出对应器官，获得器官芯片。”东南大学数字医学工程全国重点实验室博士生导师、东南大学苏州医疗器械研究院院长助理陈早早表示，这个过程需要两三周，相当于再造了一个肿瘤替身。在替身上面，实验室会按照医生给出的方案筛选药物。
传统临床前模型包括二维静态细胞和动物模型，由于难以真实模拟人类生理结构和功能，大约90%通过临床前模型评估的药物在进入人体后会失败。相比而言，肿瘤患者通过器官芯片试药的成功率可达80%。
“自2023年上半年开展器官芯片临床研究至今，我们审慎地进行了十多例尝试。”黄稳定称，在卢洪的案例中，实验室筛选了七八组用药方案，终于找到了最佳方案。
药物研发加速器
“器官芯片是由干细胞科学、生物材料工程、纳米加工技术等多个前沿技术交叉集成而成。”顾忠泽表示，该技术不仅能作为替身为患者试药，用于精准治疗，还能减少对动物和人体实验的需求，成为药物研发的加速器。
规律跳动的“心脏”、勤勉代谢的“肝脏”、主掌呼吸的“肺部”、血液奔涌的“血管”……在东南大学数字医学工程全国重点实验室的显微镜下，可以清晰地看到在巴掌大小的高分子材料里，微型的人体“器官”正在被孕育和培养。
拿起一块肿瘤芯片，触感如橡皮糖一样有弹性。凑近细看，电路导线般的红色、蓝色通道清晰可见。
“红色通道用来构建肿瘤组织，提供对肿瘤微环境的模拟，蓝色通道模拟血管，为肿瘤细胞提供营养或用药处理。”陈早早表示，器官芯片看起来简单，却内有乾坤，配合微流控系统可在体外模拟器官生长的微环境。
比如，肝芯片相当于在芯片上盖了“三层楼”，每一层都有不同分工，分别模拟肝血窦和胆管的结构；而皮肤芯片多达“六层楼”，分别模拟了表皮、真皮以及皮下组织，能用于化妆品评价。用高通量的器官芯片做检测，300块芯片即可完成一万次检测，可替代一万只动物做试验。
据美国塔夫茨大学药物开发研究中心30多年来的统计数据，一个新药的研发成本大约为26亿美元，平均耗时14年。
从培养周期看，家兔成长周期为6至7个月，小鼠需要6至8周，器官芯片的培养仅需2至3周；从检测周期看，以100个化合物为例，使用动物模型，检测周期是90至180天，使用高通量器官芯片，检测周期只需6天。通过全流程优化，新药研发周期可缩短30%以上。
器官芯片不同腔室模拟加样示意图
十年磨一剑
世界上第一个器官芯片是哈佛大学唐纳德·E·英格伯（Donald E. Ingber）于2010年开发成功的肺芯片。作为国内首批开展人体器官芯片研究的团队，顾忠泽团队紧随其后，于2012年在生物电子学国家重点实验室（数字医学工程全国重点实验室的前身）开展研究。
“在体外构建微生理系统是一个未知领域，所有国家都站在同一起跑线上。如果我们能成功实现这一目标，那么凭借庞大的人口基数优势，我国就能建立起自己独有的生物样本库和数据库，进而彻底摆脱对国外药企数据的依赖。”顾忠泽说。
十年磨一剑。2022年，该团队的“人体器官芯片的构建与精准介观测量”项目获得科技部主办的首届全国颠覆性技术创新大赛最高奖。
2023年，该团队和上海恒瑞医药合作，使用人体心脏器官芯片在8个多月的时间内筛选了数百种化合物，筛选出的HRS-1893获国家药监局批准进入临床研究，成为国内首个采用器官芯片数据获批IND（新药研究申请）的新药。
“我们和上海恒瑞医药的心脏芯片合作已进入二期临床，正在为患者构建个人的精准模型，法国制药巨头赛诺菲亦在此落地了和国内唯一合作的体外模型。”陈早早称，“现在，实验室有20余种、近500块器官芯片在同步试验。”
千亿级蓝海
“器官芯片是新质生产力的典型代表之一。”江苏艾玮得生物科技有限公司首席运营官徐源称，该公司由顾忠泽团队与江苏省产业技术研究院、苏州医疗器械产业发展集团有限公司联合成立于2021年，成立三年来，该公司的器官芯片已在100余家企业、医院及研究机构得到应用。
同一赛道的头部企业还有脱胎于中国科学技术大学的安徽骆华生物科技有限公司、北京大橡科技有限公司、创芯国际生物科技（广州）有限公司等。随着中国基础科研积累的提升以及包括政府、资本等多方力量的助力，整体业态蓬勃向好。
“但新技术的推广并非坦途。”徐源坦言，“从用动物组织做实验改为用器官芯片，就像说服一直用算盘的人改用计算机。作为一项飞速发展的新技术，器官芯片的自动化和标准化也亟待提高。”
目前，众多制药、化妆品和消费品行业的龙头已抢滩布局。比如欧莱雅、辉瑞、阿斯利康、罗氏、赛诺菲等，都在利用器官芯片进行功效和安全性测试。
事实上，科技部早在2021年1月就将“基于类器官的恶性肿瘤疾病模型”列为“十四五”国家重点研发计划中首批启动的重点专项任务，显示出国家对这一领域的重视和支持。
同时，国际上去动物化实验的发展趋势也进一步推动了该行业的发展。2022年底，美国总统拜登签署法案，新药不需要在动物上进行试验也能获得美国FDA的批准，这为器官芯片的应用提供了广阔空间。
顾忠泽认为：“器官芯片技术造福人类，这将是一片千亿级的蓝海。”
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》《DNA测序技术及市场-2022版》
《自扩增RNA（saRNA）疫苗专利全景分析-2023版》
《基于拉曼光谱的血糖监测专利态势分析-2024版》