中国科学院大连化学物理研究所研究员秦建华在讲解器官芯片原理。受访者供图
持续跳动的“心脏”、有代谢功能的“肝脏”、会呼吸的“肺”……在巴掌大小的芯片上，先“盖”出模拟人体环境的“房子”，再向其中引入相关细胞，就能部分模拟人体器官功能。
器官芯片与微生理系统是当前生命科学领域最具发展潜力的新兴方向之一。它融合了多个学科，可在体外模拟人体器官微环境，形成一种仿生的微生理系统，为生命科学、医学研究和新药研发等领域带来前所未有的发展机遇。
为深入研讨器官芯片与微生理系统领域的发展现状以及未来趋势，日前，主题为“器官芯片与微生理系统”的第770次香山科学会议在北京召开。
创新工具助力研发
生命系统非常复杂，人们迫切需要新的理念、研究范式和高效工具去理解生命机制，探究疾病的发生与发展机理，从而开发有效策略以满足生命健康需求。
以药物研发为例，目前新药研发速度远远跟不上疾病治疗需求，且失败率居高不下。据介绍，单药研发成本高达20亿至30亿美元，从药物研发到获批平均需要10至15年。当前生命科学领域急需通过新兴前沿技术提供更贴近人体生理环境的体外模型，从而缩短药物研发周期，提高疾病治疗效率。
类器官是一种来源干细胞的可再生模型。“如果把人体比作汽车，构成人体的器官就是汽车零部件。零部件坏了可以更换，人体器官因衰老等原因损坏也能替换。”中国科学院院士、南昌大学教授陈晔光说，类器官是在体外培养、能够自我组装的微型三维结构，拥有对应器官的细胞类型和类似空间结构，并且能够模拟器官部分功能。过去，研究者只能通过动物模型了解器官的生长发育。现在，他们能直接“看见”类器官的生长过程。
“和干细胞来源的类器官不同，器官芯片是一种基于人体生物学的仿生微生理系统，通过整合工程学和生物学策略，可在体外模拟人体器官的动态微环境、器官间交互作用以及对外界环境或药物作用的响应等，为在系统层面开展生物学研究、复杂疾病建模机理和药物评估等提供了新的策略和工具。”会议执行主席之一、中国科学院大连化学物理研究所研究员秦建华介绍。
长期以来，传统药物研发过程中，二维细胞培养和动物模型在仿生人体组织微环境，以及对药物作用的预测价值等方面仍面临诸多局限。破解新药研发困境是促进器官芯片技术发展的重要动力。
器官芯片技术快速崛起于21世纪初。经过10多年发展，研究人员已成功构建心、肝、肠、脑、肾等众多器官模型，并不断推动生物医药研究创新。在国际积极推动非临床试验替代法和尽可能减少动物试验的背景下，这种新模型、新技术受到越来越多的关注。
将器官芯片与类器官、材料学、工程学等多学科手段结合，可助力生命科学朝着反映更真实的体内环境、更完善的信号调控与监测、更系统的组织器官互作研究、更多突破性的疾病模型构建等方向发展。
关键问题有待突破
我国在器官芯片与微生理系统领域的整体研究起步较晚，不过仍取得一些重要进展，并呈现快速发展的态势。例如，将器官芯片技术率先用于新冠感染模型研究和多器官损伤评估；建立多器官微生理系统，开展肝脏-胰岛轴和肺-脑轴模拟以及糖尿病、重大感染性疾病等研究。
当前，仍有一些关键科学问题有待解决。“器官芯片模型如何达到高仿真模拟？如何实现精准评估？如何将‘实验室有效’推进到‘临床有效’？这些问题涵盖干细胞与器官发育、器官功能重塑、器官交互作用、多参量表征和微生理系统构建等方面。”秦建华说，解答这些问题需要在微生理系统的基础理论和关键技术等方面实现突破，需要将理性设计、精准模拟、定量表征、数据评估和智能分析等有机结合，还需要大量的科学数据进行验证。
“以糖尿病、脑卒中、冠心病等泛血管疾病为例，这些疾病可引发多器官、多系统的病理改变。多器官损伤涉及复杂的多器官协同机制，现有研究方法在实时性、系统性和综合性上仍存在局限。”在中国科学院院士、南京大学医学院教授顾宁看来，开发能够在活体环境中实现跨尺度、多维度的多器官关联实时动态监测的工具和方法，是建立仿生微生理系统和体外生命支持系统需要关注的问题。
中国科学院院士、昆明理工大学教授季维智说：“基于干细胞的多能性，研究人员尝试构建类器官和器官芯片，以探索器官发育的调控机制，替代动物进行药物筛选，甚至创造具有人体功能的替代器官。然而，由于对人体器官发生与发育机制的认识尚不充分，目前尚无法构建类似体内的微循环系统，相关技术发展受到限制。”季维智认为，可将器官芯片与干细胞、类器官和实验动物等方式结合，形成闭环式微生理系统，以充分理解器官发生和发育机制。
中国科学院动物所研究员胡宝洋说，当前，基于干细胞、类器官和器官芯片技术所构建的各类系统相互协同，能较好地模拟组织的结构和部分功能状态，具有广泛应用前景。
融合发展前景广阔
随着生命科学和工程学的深度融合，将器官芯片与干细胞、基因编辑、类器官、生物3D打印、生物传感和人工智能等新技术结合，是器官芯片与微生理系统领域的发展趋势。
其中，生物3D打印技术能将生物材料与细胞、蛋白质等生物单元，依据仿生形态学、细胞微环境要求，精准构建出具有特定功能的体外三维生物模型。“生物3D打印技术构建高度仿生的生物学模型，特别适用于器官芯片和微生理系统。”清华大学教授孙伟说。
不过，器官芯片距离真正应用还有一定距离。深圳理工大学研究员张先恩认为，器官芯片无论是实现“形态模拟”还是“功能模拟”，都需要做大量工作。
专家讨论认为，通过生物学、工程学、医学、药学和信息学等学科高效融合，有望建立更高仿真度的人体微生理系统，提升我国重大疾病研究和新药研发原始创新能力。此外，器官芯片和微生理系统领域的发展还涉及伦理、标准制定和科学监管等多方面工作，需要推动新兴技术的发展和应用，持续催生原创性、突破性和颠覆性的研究成果，满足国家重大战略需求。
秦建华说：“当前生物医学研究正迈入一个新时代，器官芯片与微生理系统不仅拓展了疾病研究的边界，还有可能推动未来药物开发、精准医疗和动物实验替代技术的革新。如今，我们站在科学与应用的交汇点，共同探索这一革新性生物技术的无限可能，大有可为。”（记者 宗诗涵）