中国芯力量丨在“芯片”上“种”器官

2025-09-12 15:47 新华社责任编辑：吴静

以“芯片”为地基，用细胞做“砖瓦”，流动的“血管”、跳动的“心脏”、呼吸的“肺”……一系列微型器官在方寸之地生长并运行。这不是科幻片中的场景，而是即将改变你我生活的器官芯片。

把细胞“种”在芯片上

通常而言，我们谈到的芯片指硅基芯片，是以半导体硅为基底制造的微型电子电路，可以高效处理二进制信息，实现复杂的计算任务。

在医学研究领域有一种新型“芯片”，电子线路被流体流动的通道取代，由干细胞、生物材料、纳米加工等技术交叉集成。研究人员借鉴计算机芯片的制造方法，注入某一人体目标器官细胞，利用不同的通道输入氧气、培养液等，营造出接近体内的生长环境，搭建出一个个迷你器官。

与电子芯片的物理形态和制作工艺类似，器官芯片通常也是在微小透明薄片上“雕刻”出通道和腔室，研究人员利用微流控技术在微管道里精准操控微小流体；与电子芯片的设计理念和集成度类似，器官芯片也能在方寸之间集成多种复杂器官功能；与电子芯片的标准化、模块化、高通量特性类似，不同芯片可模拟不同器官，甚至可以像多个电子芯片模块化组成“人体芯片”，进行药物高通量研发测试。因此，器官芯片可以说是对芯片概念的延伸。

2009年前后，第一个功能齐全的器官芯片——“肺芯片”在美国问世。在中国，东南大学苏州医疗器械研究院院长顾忠泽带领团队研究器官芯片已十余年。他介绍说，器官芯片可以模拟人体不同组织器官的主要结构功能特征以及复杂的联系，用来预测人体对药物或外界刺激产生的反应。

器官芯片主体由高分子材料构成，透明且轻盈，这一特性便于光学观察。芯片内部大多是红、蓝两条通道，便于区分和直观表现氧气和培养液等流体，液体流经被注入的器官细胞核组织时就像在活体器官中流动一样，用来模拟血液流经微血管的变化。其实除了红、蓝通道外，芯片内也可以分布多条“微通道”与“微腔室”来模拟更为复杂的生理环境。当芯片接入动力装置，通过人为控制电、热、生化等环境，就可以用来测试药物的有效性和安全性，进行疾病和药理研究。

更贴近人源的“替代方案”

长期以来，动物实验被默认为进行药物毒性、安全性和药物代谢动力学实验的基础实验环节，也是药品从研发走向市场的必要环节。

尽管以小鼠为代表的动物和人在基因组上具有一定相似性，但普遍认为只有在非人灵长类动物（猴类）的测试中取得了安全性和有效性的测试才最接近人的安全。动物模型与人类生物系统存在药物基因组以及遗传多样性差异，基于动物的实验难以真实模拟人类生理结构和功能。

无论是从科学研究的准确性，还是从“去动物化”的人道主义关怀角度，单纯动物医学实验难以满足研发需求，成本更低、更高效、更具伦理接受度的替代方案正成为行业呼声。器官芯片的诞生为解决现存问题提供了新思路，有望成为替代动物的新方案。

首先，相较于动物模型，源于人体细胞组织的器官芯片高度模拟人体器官的结构和功能，有效解决了种属差异的问题，基因表达更还原人体结构。并且，器官芯片更贴近体内环境，能为药物测试和疾病诊断提供更具参考价值的生理数据。人体器官芯片发明者、哈佛大学生物启发工程怀斯研究所所长唐纳德·英格伯曾以肝脏芯片为例进行研究，结果显示，在预测药物诱导的肝损伤反应方面，肝脏芯片的准确性比动物高出7至8倍。

其次，器官芯片具备高通量类器官培养和药物筛选的独特能力。所谓高通量是指在一定时间内处理、传输或生成大规模数据的能力。高通量器官芯片能集成多个单一器官芯片实现大量数据筛选，减少样本与试剂用量，大幅提升效率。有数据显示，使用高通量的器官芯片做分析，300块就可以轻松完成一万次检测，可以替代一万只动物。高通量器官芯片大幅缩短检测周期，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只需6天。同时，作为诞生在生物学工程学交叉领域的创新应用，高通量器官芯片还可以配合AI数据分析，更精准发现药物靶点，在药物研发中实现快速设计、验证与迭代。

以“芯”试药打破“双十定律”

药物研发存在一条著名的“双十定律”，即新药研发需要花费10多年时间、平均研发成本超过10亿美元。美国塔夫茨大学药物开发研究中心的统计数据显示，每个新药进入市场的平均成本约为26亿美元，从首次合成到上市平均耗时128个月。

深圳逸芯生命科学有限公司是中国从事器官芯片技术的前沿企业之一，创始人刘杰表示，相对于动物模型，器官芯片成本只有10%至20%，被认为是最有可能作为体外疾病模型指导新药开发的前沿技术之一，在准确性、时间、成本上具有明显优势。

除了节约时间与金钱成本，体外器官芯片还可以作为替身为患者试药，在药物测试方面具有明显优势。众所周知，肿瘤药物对人体的毒副作用较大，但借助器官芯片，可以把肿瘤患者的细胞“种”到芯片上，通过体外作用药测试，在不伤害患者的前提下精准监测药物的有效性和安全性，从而为临床精准医疗提供保障。

除此之外，器官芯片还是对现有药物研发体系的补充，以往药物正式上市前需要大量的临床前和临床研究，周期长成本高，而器官芯片在临床前就可以排除“错误答案”，大大缩短了研发周期、降低了研发成本。

器官芯片不仅是生物医学的突破，更是多学科集成创新的结晶。全球细分行业调研机构恒州博智（QYResearch）发布报告，预计2024年至2030年，全球器官芯片市场年复合增长率为31.2%。

尽管面向蓝海，但新技术的推广并非坦途，从科学实验到实际应用仍有一段路要走。

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