科技日報記者 金鳳

“在這塊巴掌大小的高分子材料里,，我們借助3D打印、納米加工等技術(shù),，蓋出模擬人體環(huán)境的'房子’,，將人源細(xì)胞或干細(xì)胞注入其中，再給'房子’輸送氧氣,、培養(yǎng)液,。兩三周后，就能在'房子’里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，接受科技日報記者采訪時,，東南大學(xué)教授顧忠澤手捧一塊器官芯片娓娓道來,。

顧忠澤團(tuán)隊(duì)研發(fā)的器官芯片,。

器官芯片,，不僅“涵養(yǎng)”著人體細(xì)胞組織,，也承載著人類對藥物研發(fā)的希望和對生命健康的求索,。由于具有人源性、成本低,、培養(yǎng)周期短等特性,，器官芯片可以作為人體組織的“替身”接受藥物實(shí)驗(yàn)，從而加速藥物研發(fā)進(jìn)程,，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供解決方案,。

靈感源自一篇科研論文

在顧忠澤團(tuán)隊(duì)研發(fā)的眾多器官芯片中，人工血管芯片近期用于神舟十五號航天員在軌實(shí)驗(yàn)操作,。這不僅是我國首次在空間站在軌實(shí)施的器官芯片項(xiàng)目,，也是國際上首例人工血管組織芯片研究。

為了這項(xiàng)探索,，中國航天員科研訓(xùn)練中心和顧忠澤團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān),，迭代制作出了可對抗失重、強(qiáng)振,、氣壓變化,，并保持血管長期活力的人工血管芯片。

太空血管器官芯片。

器官芯片的雛形,，始于21世紀(jì)初,。2011年，美國成立了微生理系統(tǒng)聯(lián)盟,，啟動器官芯片研發(fā),，希望用其替代動物進(jìn)行藥物測試。

那時,，顧忠澤正處于職業(yè)生涯“瓶頸期”,，偶然間讀到的一篇關(guān)于器官芯片的研究論文，為他打開了一扇窗,。

“器官芯片不僅可用于評估相關(guān)藥物對人體的有效性,，還可以針對環(huán)境中的有毒、有害物質(zhì)進(jìn)行評價,?！币粋€隱約的科研夢想由此在顧忠澤心里萌生。

2012年起,，顧忠澤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始摸索器官芯片的相關(guān)技術(shù),。但現(xiàn)實(shí)比夢想“骨感”得多,，時任生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任的顧忠澤回憶：“當(dāng)時這項(xiàng)研究很前沿，大家對其最新進(jìn)展和應(yīng)用前景都不了解,，有不少研究者望而卻步,。但一番評估后，我們還是決定在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部立項(xiàng),，支持試制肝臟芯片,、心臟芯片、皮膚芯片,，開展器官芯片各方面技術(shù)的預(yù)研,。”

團(tuán)隊(duì)成員,、東南大學(xué)副研究員陳早早介紹,，相較于動物試驗(yàn)，器官芯片特色明顯：“首先,，構(gòu)建一個動物疾病模型一般需要3至6個月,，甚至數(shù)年，但制造一個器官芯片一般僅需兩三周,；其次,，一只模式動物一般只能做一種藥物試驗(yàn)，而一個器官芯片上多則有幾百上千個獨(dú)立測試的單元,，可以進(jìn)行幾種或幾十種藥物的多濃度試驗(yàn),；另外，器官芯片由人體細(xì)胞組織構(gòu)成,，和人體對藥物及病原體的反應(yīng)高度一致,。”

讓細(xì)胞沿著“腳手架”生長

如何讓人體細(xì)胞在體外也能像在體內(nèi)一樣舒適健康地生長,，最終從結(jié)構(gòu)到功能都接近于真實(shí)的器官,？

團(tuán)隊(duì)迎難而上。

“最初做心臟芯片時,，體外培育的心臟細(xì)胞往往會向各個方向生長,，細(xì)胞的跳動狀態(tài)也各不相同，形不成'迷你’心臟,，每次實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的心臟芯片差異也很大,。”陳早早還記得最初試驗(yàn)時的曲折,。

“能不能搭建一個'腳手架’,，讓細(xì)胞沿著'腳手架’向同一個方向生長？”此前生物材料領(lǐng)域的學(xué)術(shù)積淀啟發(fā)了顧忠澤,。

顧忠澤與團(tuán)隊(duì)工作人員在研討器官芯片技術(shù)難點(diǎn)和改進(jìn)方案（右為顧忠澤）。

3年里,，他帶著團(tuán)隊(duì)不斷嘗試各種技術(shù)研究后發(fā)現(xiàn),，利用靜電紡絲技術(shù)編織的納米纖維可讓細(xì)胞沿著纖維紋路生長，團(tuán)聚得更接近人體器官,，且易量產(chǎn),、成本低。

“雖然理論可行,，但最初紡出的納米纖維往往會結(jié)滴?！标愒缭缯f,。

為了解決這個難題，從2019年起,，研究團(tuán)隊(duì)每天在不同的電壓和相差幾十?dāng)z氏度的溫度區(qū)間,，對不同的納米材料進(jìn)行配比，再將納米材料與十幾種培養(yǎng)液融合,，以確保紡出的納米纖維均勻,、不黏連。

調(diào)試了近千種配方后,，他們終于得到了質(zhì)量穩(wěn)定,、統(tǒng)一、均勻的細(xì)胞外支架,。

陳早早記得,，那段日子，大家每天天不亮就鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,，等下班時,，又入夜了。

細(xì)胞外支架的搭建,，只是統(tǒng)一了細(xì)胞的生長方向,。細(xì)胞在芯片里生長，還需要氧氣和營養(yǎng)液,。

“既然人體有血管,，能否為體外細(xì)胞搭建仿生血管，用仿生血管為細(xì)胞輸送營養(yǎng),？”思考了很長時間,，顧忠澤靈光乍現(xiàn)。

順著這種思路,，團(tuán)隊(duì)開始研制高精度打印機(jī),。他們在一個個直徑不到1毫米的迷你器官里,，構(gòu)造仿生血管，又在仿生血管上“雕刻”孔徑為800納米至2微米的小孔,，讓營養(yǎng)液通過小孔滲透到細(xì)胞中,，細(xì)胞還不能穿過小孔“溜走”。說起研發(fā)過程的艱辛,，顧忠澤打了一個比方——“其難度堪比在芝麻粒里雕刻萬里長城”,。

敲開市場應(yīng)用之門

經(jīng)過數(shù)年前沿技術(shù)驗(yàn)證和產(chǎn)品研發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)在高精度跨尺度三維打印,、功能性細(xì)胞外支架材料,、細(xì)胞力成像、人工智能算法等關(guān)鍵核心技術(shù)環(huán)節(jié)取得了較大進(jìn)展,。

在做出心臟芯片,、血管芯片、肝臟芯片,、腫瘤芯片,、肺芯片的雛形后，2021年,，該團(tuán)隊(duì)在東南大學(xué),、江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院和蘇州高新區(qū)的支持下，成立了江蘇艾瑋得生物科技有限公司（以下簡稱“艾瑋得”）,，加速人體器官芯片及配套自動化系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化,。

顧忠澤團(tuán)隊(duì)研發(fā)的器官芯片,。

科研成果能否從“書架”走上“貨架”，還需市場投票,?！拔覀兣芰瞬簧籴t(yī)院和藥企，但很多藥企不了解器官芯片,，沒少吃閉門羹,。”在四處碰壁后,，艾瑋得商務(wù)經(jīng)理伍曉月敲開了恒瑞醫(yī)藥的大門,。

今年夏天，恒瑞醫(yī)藥的HRS-1893片獲批開展臨床試驗(yàn),。該藥擬用于治療肥厚型心肌病及心肌肥厚導(dǎo)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(tuán)隊(duì)的器官芯片提供的技術(shù)支撐。

在近一年的時間里,，雙方用心臟芯片累計篩選了9批次上百個化合物,。

“經(jīng)過多輪篩選，藥物化合物的起效濃度比最初有了很大優(yōu)化,。這為后期體內(nèi)藥效實(shí)驗(yàn)找到了候選分子,。”陳早早說,。

如今,，顧忠澤團(tuán)隊(duì)研發(fā)的器官芯片已應(yīng)用于疾病建模、藥物篩選,、航天醫(yī)學(xué),、化妝品評價等領(lǐng)域。同時,，該團(tuán)隊(duì)正在牽頭起草國家標(biāo)準(zhǔn)計劃《皮膚芯片通用技術(shù)要求》,。

“新藥研發(fā)的風(fēng)險越來越大，創(chuàng)新速度越來越慢,。”顧忠澤向記者表示,，“我們希望用器官芯片加速藥物研發(fā),、構(gòu)建疾病模型，替代動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化妝品,、藥物檢測,，推動我國生物醫(yī)藥快速發(fā)展！”

文中圖片由顧忠澤團(tuán)隊(duì)提供

編輯：張琦琪

審核：張爽