器官芯片在抗擊新冠病毒戰(zhàn)疫中發(fā)揮“顛覆性技術”

截止目前，新冠疫情已經在全球造成數(shù)以百萬計的感染和數(shù)十萬人的死亡，然而病毒的蔓延似乎還將持續(xù)。即便在今年北半球的夏秋季節(jié)得到控制，大概率也會在今年底的冬春季節(jié)再次卷土重來。

現(xiàn)在，全世界估計沒有比研制出新冠病毒疫苗和特效抗病毒藥更緊迫的問題了。近期，由我國主導的全球第一個獲批臨床試驗的新冠滅活疫苗已經結束一期臨床試驗，目前正在進行二期臨床試驗。按照之前世衛(wèi)組織的預計，新冠疫苗最快也要18個月才能問世。疫苗研發(fā)上的“中國速度”似乎會讓新冠病毒疫苗的到來更快一些。

然而更為嚴峻的情況是新冠病毒在傳播過程可能會出現(xiàn)變異。根據美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一項最新研究，現(xiàn)在歐美地區(qū)主要流行的毒株已經是一種比新冠病毒大流行初期傳播的毒株更具有傳染性的新型毒株。如果新冠病毒能夠適應夏季高溫，并再次發(fā)生變異的話，正在研發(fā)的疫苗可能失效。

相關專家表示，密切監(jiān)測新冠病毒的基因變異，針對病毒較為穩(wěn)定的部分進行有效免疫，對全球的藥物研制和疫苗研發(fā)至關重要。

為加快疫苗和抗病毒藥物研制，研究者們正在嘗試采用一種被稱為“改變未來的顛覆性技術”的新方法——器官芯片，來進行新冠病毒入侵免疫系統(tǒng)的機制研究，以及試圖縮短藥物的臨床試驗周期。

器官芯片的神奇之處到底何在，能夠在新冠疫苗的研制中發(fā)揮怎樣的作用?這是我們在這里深入探究的重點。

什么是器官芯片?

人體器官芯片的崛起，本身就有著強烈的現(xiàn)實需求和應用場景，那就是新藥研發(fā)。

首先，現(xiàn)代新藥的研發(fā)之所以成本極高、周期長且失敗率高的一個主因，就是藥物在進入臨床試驗階段的失敗風險非常高，因此提高對人體對藥物反應的預測的準確率，可以有效降低臨床試驗的試錯成本。

其次，當前臨床前期試驗的藥物模型預測主要來自于動物試驗。除了分析起來非常復雜、耗時耗力以及動物倫理問題外，動物的藥物模型最大的缺點便是無法準確地模擬人體系統(tǒng)。即使是像小白鼠這樣跟人類99%基因相同的動物模型都可能帶來很多藥物的預測偏差。

另外，一種代替動物試驗的體外細胞模型，具有快速、高通量的特征，可以廣泛用于早期化合物的篩查。但是這種通過培養(yǎng)皿或多孔板培養(yǎng)的簡單細胞模型，生理功能不完整，無法反映組織間的相互作用和生理狀態(tài)下的藥物發(fā)生機理。

因此，醫(yī)藥研發(fā)需要一種精準性更高，更能反映生理機制的藥物篩選技術。構建一個百分百還原人體器官模型的技術還有點困難，但是通過逆向工程還原人體器官關鍵的部位和功能則是行得通的，器官芯片就在微流控技術的基礎上誕生了。

器官芯片(organ-on-a-chip)，這個聽起來有點賽博格(Cyborg)意味的技術，并不如我們常見的半導體芯片那樣復雜和高深，其概念早在上世紀90年代就已經提出。

器官芯片技術是仿生生物學和微加工技術的結合，主要是利用微流控技術控制流體流動，結合細胞與細胞相互作用、基質特性以及生物化學和生物力學特性，在芯片上構建三維的人體器官生理微系統(tǒng)。微流控芯片系統(tǒng)能夠將微組織器官的直徑控制在毫米甚至微米級別，并且增強其營養(yǎng)交換，防止微組織器官的核心細胞的死亡。

通俗來講，器官芯片既不用完全按照完整的器官進行重建，又具有人體原來器官組織的生理活性和結構功能特征，能夠成為預測人體對藥物反應和外界各類刺激反應的良好替代品。

人體器官芯片如何實現(xiàn)新藥檢測?

以上我們知道，器官芯片主要是模擬人體內部的組織環(huán)境，這一內部環(huán)境可以是某一塊器官組織，也可以是多個器官的組合，比如整個人體。

截至目前，已經發(fā)表的人體不同的器官芯片有：腸道芯片、肺部芯片、心臟芯片、肝臟芯片、血管芯片、腫瘤芯片、胎盤芯片以及集合多種器官芯片組成的人體芯片(human-on-a-chip)。

單個器官芯片的研發(fā)可以讓研究者更直觀地了解器官組織的生理機制的變化過程，也可以實現(xiàn)專門的藥物的功能的實驗和檢測。

比如，哈佛大學研制的一款腸道芯片，就可以還原人體腸道的三維的褶皺和小腸絨毛結構，甚至實現(xiàn)微生物群落的共生，因此可以很好地構建口服藥物的吸收、代謝模型。

再比如，在心臟芯片中還原心臟微環(huán)境中的三維結構，用于在心血管疾病藥物研發(fā)中觀測和對比心肌細胞在不同的刺激下的反應。研究者們成功地在芯片上測試了不同濃度腎上腺素對心臟肌肉細胞收縮性的影響。

此外，像肝臟芯片可以用于對某些藥物或病原體對于肝臟細胞的毒性或損害;血管芯片可以模擬人體中血管周圍環(huán)境與血管的物質交換，用于觀測心血管疾病藥物對血管表面的刺激反應;腫瘤芯片可以還原復雜的腫瘤微環(huán)境或者模擬腫瘤轉移，從而測試抗腫瘤藥物的效果;胎盤芯片可以模擬胎兒和母體之間的物質交換過程，促進對早產帶來的胎盤功能障礙的研究以及治療。

由于人體是一個由多個器官組成的高度復雜的系統(tǒng)，如果想要研究任何一種疾病或者檢測任何一種藥物的安全性和有效性，最理想的情況就是在一個完整的人體上進行實驗。那么，構建模擬多個器官的“多器官芯片”，也就是“人體芯片”成為行業(yè)研究的熱點。

比如，近期科學家開發(fā)出一種包含五個容納不同類型細胞腔室的器官芯片裝置，通過循環(huán)營養(yǎng)液的通道連接模仿血液流動。

這一裝置用于研究藥物及其化學副產品對靶細胞和其他組織同時產生影響的程度，未來可以有效測量不同抗癌藥物對癌細胞以及心臟和肝細胞的影響。

未來，研究者的最終目標是將人體的肝臟、腸道、心臟、腎臟、大腦、肺部、生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)和皮膚用器官芯片的方式連接到一起，組成真正的人體芯片，從而能夠更加完整和有效地研究不同疾病、藥物、化學物質以及食物對人體健康的整體影響。

抗擊新冠病毒，器官芯片有哪些用處?

為加速新冠病毒疫苗研發(fā)，我們需要首先了解新冠病毒在入侵人體時候的發(fā)生機制與發(fā)生過程，也就是要找到為什么我們的免疫系統(tǒng)對其幾乎沒有抵抗力，這種病毒在入侵早期會對人體細胞造成哪些傷害。

由于現(xiàn)實中一個人被發(fā)現(xiàn)感染新冠病毒，很有可能已經是感染數(shù)天以后了，所以研究者很難找到早期感染者，特別是在24小時之內的感染者進行病毒入侵模式的觀察和檢測。而通過創(chuàng)建相關的器官芯片的模型，研究人員就可以詳細觀察新冠病毒在入侵人體早期是如何工作的了。

為此來自加拿大的研究人員正在利用多倫多大學研制的鼻子、眼睛、嘴巴和肺部的器官芯片來模擬新冠病毒的入侵方式。具體來說就是發(fā)現(xiàn)病毒突破我們人體的上皮細胞的屏障進入人體內部，而肺芯片的感染能夠研究免疫系統(tǒng)對新冠病毒的先天早期反應。

研究人員還將使用一種Powerblade的技術，用來標記被新冠病毒感染后的細胞分子，并給出相應的生物標記。未來如果用于疫苗的臨床前期的實驗，研究者就可以利用這一模型研究不同人體的先天免疫系統(tǒng)對新冠病毒疫苗會做出如何的反應。

我們可能仍然記得，在我國新冠疫情初期，某些機構通過體外細胞實驗的驗證，就宣傳某種藥物對新冠病毒有效，還一度造成全電商斷貨的鬧劇。結果遭到輿論和專家的批判，原因就在于他們僅通過簡單細胞模型來進行藥物有效性的證明，其結論是非常單薄的。

而通過器官芯片，新藥在上面進行有效性和安全性的篩選和驗證，就會比細胞模型有說服力，而且能部分替代動物實驗，縮短藥物臨床前研究的過程。

最近，在針對新冠病毒的抗病毒藥物的研制上，中國科學院大學的一支團隊正在利用器官芯片的方式，設計一種高通量的藥物篩選平臺，構建體外肺泡，以更好地縮短整個藥物研發(fā)的流程，從而加快推進整個特效藥的研發(fā)進程。

當然，我們也需要理性地認識到，在抗擊新冠病毒而進行的疫苗研發(fā)和抗病毒藥物的研制上，器官芯片仍然也只是起到前期的病毒致病機制的研究和后續(xù)藥物藥效篩選的輔助篩查的作用，也仍然以科研機構的基礎性研究為主，很難進入商業(yè)化研發(fā)的階段。

理論上來說，器官芯片以一種全新的方式來真實地重現(xiàn)人體器官的生理、病理活動，讓研究者直觀地觀察和研究機體的各種生物學行為，為了解新藥靶標的生物機制、為疾病的研究提供新的視角，同時為預測新藥的有效性和安全性、探索物種的差異性和意外的臨床表現(xiàn)提供了新的方法。

器官芯片還在從實驗室走向現(xiàn)實應用的道路上。

最值得期待的是如果此次對新冠病毒的感染機制研究和藥物研制中，器官芯片能夠發(fā)揮一定作用，也將能夠推動更多的醫(yī)藥企業(yè)和機構投入資源，加入到對這些改變未來的“顛覆性技術”的商業(yè)化進程當中。