替代人體接受藥物實驗 “器官”長在晶片裏

“在這塊巴掌大小的高分子材料裏，我們借助3D列印、奈米加工等技術，蓋出模擬人體環境的‘房子’，將人源細胞或幹細胞注入其中，再給‘房子’輸送氧氣、培養液。兩三周後，就能在‘房子’裏得到模擬人類器官組織的跳動的心臟、代謝的肝臟、呼吸的肺……”

10月11日，接受科技日報記者採訪時，東南大學教授顧忠澤手捧一塊器官晶片娓娓道來。

器官晶片，不僅“涵養”著人體細胞組織，也承載著人類對藥物研發的希望和對生命健康的求索。由於具有人源性、成本低、培養週期短等特性，器官晶片可以作為人體組織的“替身”接受藥物實驗，從而加速藥物研發進程，為精準醫療提供解決方案。

靈感源自一篇科研論文

在顧忠澤團隊研發的眾多器官晶片中，人工血管晶片近期用於神舟十五號航太員在軌實驗操作。這不僅是我國首次在空間站在軌實施的器官晶片項目，也是國際上首例人工血管組織晶片研究。

為了這項探索，中國航太員科研訓練中心和顧忠澤團隊協同攻關，迭代製作出了可對抗失重、強振、氣壓變化，並保持血管長期活力的人工血管晶片。

器官晶片的雛形，始於21世紀初。2011年，美國成立了微生理系統聯盟，啟動器官晶片研發，希望用其替代動物進行藥物測試。

那時，顧忠澤正處於職業生涯“瓶頸期”，偶然間讀到的一篇關於器官晶片的研究論文，為他打開了一扇窗。

“器官晶片不僅可用於評估相關藥物對人體的有效性，還可以針對環境中的有毒、有害物質進行評價。”一個隱約的科研夢想由此在顧忠澤心裏萌生。

2012年起，顧忠澤帶領團隊開始摸索器官晶片的相關技術。但現實比夢想“骨感”得多，時任生物電子學國家重點實驗室主任的顧忠澤回憶：“當時這項研究很前沿，大家對其最新進展和應用前景都不了解，有不少研究者望而卻步。但一番評估後，我們還是決定在實驗室內部立項，支援試製肝臟晶片、心臟晶片、皮膚晶片，開展器官晶片各方面技術的預研。”

團隊成員、東南大學副研究員陳早早介紹，相較于動物試驗，器官晶片特色明顯：“首先，構建一個動物疾病模型一般需要3至6個月，甚至數年，但製造一個器官晶片一般僅需兩三周；其次，一隻模式動物一般只能做一種藥物試驗，而一個器官晶片上多則有幾百上千個獨立測試的單元，可以進行幾種或幾十種藥物的多濃度試驗；另外，器官晶片由人體細胞組織構成，和人體對藥物及病原體的反應高度一致。”

讓細胞沿著“腳手架”生長

如何讓人體細胞在體外也能像在體內一樣舒適健康地生長，最終從結構到功能都接近於真實的器官？

團隊迎難而上。

“最初做心臟晶片時，體外培育的心臟細胞往往會向各個方向生長，細胞的跳動狀態也各不相同，形不成‘迷你’心臟，每次實驗構建的心臟晶片差異也很大。”陳早早還記得最初試驗時的曲折。

“能不能搭建一個‘腳手架’，讓細胞沿著‘腳手架’向同一個方向生長？”此前生物材料領域的學術積澱啟發了顧忠澤。

3年裏，他帶著團隊不斷嘗試各種技術研究後發現，利用靜電紡絲技術編織的奈米纖維可讓細胞沿著纖維紋路生長，團聚得更接近人體器官，且易量産、成本低。

“雖然理論可行，但最初紡出的奈米纖維往往會結滴。”陳早早説。

為了解決這個難題，從2019年起，研究團隊每天在不同的電壓和相差幾十攝氏度的溫度區間，對不同的奈米材料進行配比，再將奈米材料與十幾種培養液融合，以確保紡出的奈米纖維均勻、不黏連。

調試了近千種配方後，他們終於得到了品質穩定、統一、均勻的細胞外支架。

陳早早記得，那段日子，大家每天天不亮就鑽進實驗室，等下班時，又入夜了。

細胞外支架的搭建，只是統一了細胞的生長方向。細胞在晶片裏生長，還需要氧氣和營養液。

“既然人體有血管，能否為體外細胞搭建倣生血管，用倣生血管為細胞輸送營養？”思考了很長時間，顧忠澤靈光乍現。

順著這種思路，團隊開始研製高精度印表機。他們在一個個直徑不到1毫米的迷你器官裏，構造倣生血管，又在倣生血管上“雕刻”孔徑為800奈米至2微米的小孔，讓營養液通過小孔滲透到細胞中，細胞還不能穿過小孔“溜走”。説起研發過程的艱辛，顧忠澤打了一個比方——“其難度堪比在芝麻粒裏雕刻萬里長城”。

敲開市場應用之門

經過數年前沿技術驗證和産品研發，研究團隊在高精度跨尺度三維列印、功能性細胞外支架材料、細胞力成像、人工智慧演算法等關鍵核心技術環節取得了較大進展。

在做出心臟晶片、血管晶片、肝臟晶片、腫瘤晶片、肺晶片的雛形後，2021年，該團隊在東南大學、江蘇省産業技術研究院和蘇州高新區的支援下，成立了江蘇艾瑋得生物科技有限公司（以下簡稱“艾瑋得”），加速人體器官晶片及配套自動化系統産業化。

科研成果能否從“書架”走上“貨架”，還需市場投票。“我們跑了不少醫院和藥企，但很多藥企不了解器官晶片，沒少吃閉門羹。”在四處碰壁後，艾瑋得商務經理伍曉月敲開了恒瑞醫藥的大門。

今年夏天，恒瑞醫藥的HRS-1893片獲批開展臨床試驗。該藥擬用於治療肥厚型心肌病及心肌肥厚導致的心力衰竭。其藥物候選分子體外篩選工作，正是由顧忠澤團隊的器官晶片提供的技術支撐。

在近一年的時間裏，雙方用心臟晶片累計篩選了9批次上百個化合物。

“經過多輪篩選，藥物化合物的起效濃度比最初有了很大優化。這為後期體內藥效實驗找到了候選分子。”陳早早説。

如今，顧忠澤團隊研發的器官晶片已應用於疾病建模、藥物篩選、航太醫學、化粧品評價等領域。同時，該團隊正在牽頭起草國家標準計劃《皮膚晶片通用技術要求》。

“新藥研發的風險越來越大，創新速度越來越慢。”顧忠澤向記者表示，“我們希望用器官晶片加速藥物研發、構建疾病模型，替代動物實驗進行化粧品、藥物檢測，推動我國生物醫藥快速發展！”（記者 金 鳳）