每年，全球有超过1.15亿只动物被用于实验室研究。动物模型长期以来一直是临床前药物测试的核心，尽管关于伦理和福利的争论持续不断，它们仍然是不可或缺的工具。
然而，它们往往无法准确复制人体生理学特征。药物开发仍然成本高昂、耗时且不可预测，每种新药的研发需要超过十年的时间和数十亿美元的资金投入。将近90%在动物实验中表现良好的候选药物在人体试验中失败。这些数据凸显了当前工具在模拟复杂人体生物学方面的不足。
但这种情况可能终于要改变了。
为了复制人体器官的结构和功能，器官芯片（OoC）系统是一种微型流体装置，其大小不超过一个USB记忆棒。这些芯片能够像人体组织一样呼吸、跳动并对刺激做出反应，成为药物筛选和疾病研究的潜在平台。
科学家们现在认为，OoC可以显著减少对动物模型的依赖，并提高临床试验的成功率。
器官芯片技术的工作原理
OoC系统是基于塑料或玻璃基底构建的微工程设备，包含复杂的刻蚀通道和隔间，各种人体细胞类型可以在其中相互作用。
这种结构精确地模拟了诸如血压、细胞通讯以及通过组织的流体动力学等复杂的生物过程。工程师可以细致地复制实验条件，直接观察类器官结构如何应对机械应力或药物。
在与《Interesting Engineering》（IE）的访谈中，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的博士后研究员Jessica Freire Feitor博士，以及圣保罗大学的副教授Daniel R. Cardoso博士强调，器官芯片模型特别擅长捕捉影响药物反应的关键人体生物学差异。
“通过使用来自个体捐赠者的细胞，这些系统可以直接反映年龄、性别和遗传背景的变异性，从而捕捉到决定人类药物反应的关键因素，”Feitor和Cardoso告诉IE，并补充说该技术的最大优势之一在于其能够整合人类特异性的生物学因素。
这意味着含有老年人、不同性别或特定基因突变细胞的芯片可以精确评估这些因素如何影响疾病机制或药物效果。
然而，Feitor和Cardoso指出，尽管OoC平台在个性化和预测性生物医学研究方面具有巨大潜力，但它仍处于发展过程中。
器官芯片系统的工程设计
印度SIES药学科学学院的副教授Smita Nayak博士向IE解释说，器官芯片系统通常由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、热塑性塑料、水凝胶和玻璃等材料制成。每种材料都有其独特的优势：PDMS具有柔韧性，热塑性塑料易于成型，水凝胶与活细胞兼容良好，而玻璃则耐用且透明。
Nayak指出，细胞反应会因材料选择而有所不同。“它们与不同嵌入细胞类型的相互作用各不相同，通常需要根据实验室研究逐一评估，”她补充道。
Feitor和Cardoso证实，聚二甲基硅氧烷（PDMS）是现代器官芯片设备的首选材料。他们将这种硅胶聚合物的受欢迎归因于其多功能性、生物相容性和易于灭菌的特点。“其机械性能，尤其是柔韧性，有助于工程化模仿各种器官的仿生运动，包括肠道蠕动、肺部通气和心脏搏动，”他们表示。
连接到真空和流动通道的显微镜上的肺芯片。
图片来源：[Wyss研究所/哈佛大学](
与此同时，Nayak澄清说，OoC设备并非设计用于直接临床植入。“生物相容性问题主要集中在确保设备内的最佳细胞功能和存活率，而不是患者安全，”她声称。
根据Feitor和Cardoso的说法，当前的应用显示出良好的生物相容性，芯片支持细胞生长并且保持生物惰性。然而，生产中大量使用塑料以及一次性设备对环境的影响是一个日益增长的担忧。
“PDMS对某些小分子的固有吸附特性可能会在药物筛选分析中引入混淆变量，”他们详细说明，并补充说研究界正在积极开发既能保持生物相容性又能应对这些新兴挑战的替代材料。
技术优势与局限性
OoC技术相较于传统的动物模型具有明显优势，尤其是在更强的人体相关性、更快的结果以及减少伦理争议方面。
“这是因为器官芯片利用了人体细胞，通常来自患者活检，并精心重建了人体器官的微环境，”Feitor和Cardoso强调，并补充说器官芯片系统可以显著提升临床前研究的准确性和效率。
根据Nayak的说法，还需要更多研究来充分了解器官芯片技术在捕获药物反应的人体多样性方面的表现。在理想条件下，这些系统可以加速药物发现、提高临床试验的可预测性并长期节省成本。
这些优势包括更强的人体相关性、个性化医疗的潜力、伦理改进以及更快、更一致的结果。“这些优势可以加速新药发现、增强临床研究的可预测性，并为长期节省成本作出贡献，”她强调。
器官芯片（OOC）模拟整个器官或器官系统的活动、力学和生理反应。
图片来源：[Wyss研究所 / 哈佛大学](
另一方面，器官芯片平台仍然面临若干重大挑战，这些挑战限制了它们在药物发现和研究中的广泛应用。
Nayak列出了关键障碍，包括准确复制复杂器官功能、标准化协议以及维持技术要求苛刻的微流体设置。此外，获取多样化的人体细胞类型、澄清数据验证的监管路径以及管理高初始成本仍然是主要问题。
Feitor和Cardoso指出，制药行业仍然严重依赖动物模型的原因是，数十年建立起来的基础设施、培训和科学文献使其成为默认标准。“克服这些障碍需要进一步的技术进步以及科学和监管界的广泛接受，”他们继续说道。
这些设备能否取代动物模型？
尽管变得更具可扩展性和成本效益，三位科学家一致认为，OoC系统目前最好作为动物测试的补充工具，而非完全替代品。
Nayak指出，动物模型可能仍有必要提供当前芯片技术尚未完全复制的整体身体环境。
“然而，随着技术的不断成熟，预计器官芯片系统将显著减少对动物研究的依赖，特别是在早期研究和药物筛选阶段，从而有效地弥合体外细胞培养和体内动物研究之间的转化差距，”她说。
“最终，这两种实验范式的明智结合有望在生物医学研究中带来更具预测性和效率的进展，”Nayak继续说道。
该技术可以准确预测人类的反应，帮助科学家研究疾病并测试新药的安全性。
图片来源：[Emulate](
Feitor和Cardoso确认了OoC技术的局限性：无法模拟全身交互、免疫反应和长期系统效应。“此外，在受控条件下进行的研究并不能反映环境影响，”他们补充道。
高昂的设置成本和专用设备需求限制了小型机构对OoC的访问。然而，科学家们相信材料科学和制造领域的最新进展正在使这项技术变得更加普及，特别是对于原型设计和早期研究。
“目前，由于制造成本、专用设备和技术专业知识的要求，器官芯片技术主要局限于资金充足的研究实验室，”Feitor和Cardoso总结道。“虽然在大规模生产和自动化方面取得了一些进展——这可能会显著降低成本——但可扩展性仍然是一个挑战。”
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