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“器官”與“芯片”，兩樣看似相隔甚遠的事物，如今已能“融為一體”。
在合肥，來自中國科學技術(shù)大學的創(chuàng)業(yè)團隊正把實驗室的技術(shù)轉(zhuǎn)化成實際中的應用。他們利用芯片加工技術(shù)打造“人體器官”，研制出的器官芯片能成為藥物研發(fā)的“試驗場”，加速創(chuàng)新藥的測試，還能成為部分患者的“替身”，用于精準醫(yī)療。如今，他們的器官芯片技術(shù)已經(jīng)做到國際領(lǐng)先。3月15日，合報全媒體記者來到駱華生物，揭開器官芯片的神秘面紗。
器官芯片是什么？
在安徽駱華生物科技實驗室內(nèi)，記者第一次近距離接觸器官芯片。
與印象中的“芯片”不太一樣，器官芯片大都通體透明且有一定厚度，厚約0.5cm，好似一小塊透明橡皮，每塊大小也不一，小的有如指甲蓋，大的有如銀行卡。與想象中的“器官芯片”也有所不同，雖然分別貼有“肺器官芯片”“肝器官芯片”的標識，但肉眼觀察其中，并未發(fā)現(xiàn)“器官”，只見一條條清晰的如同電路導線般紅色與藍色的通路。
“你肉眼看到的紅色通路里，充滿了由活細胞培養(yǎng)出的器官功能單元。藍色通路則是活細胞所需的各種營養(yǎng)物質(zhì)等的傳輸通道。”安徽駱華生物科技有限公司總經(jīng)理苗春光博士表示，在顯微鏡下，“藏有”人體器官功能單元的“小世界”才會“揭開面紗”。
苗春光介紹，器官芯片是一種可模擬和重構(gòu)人體器官生理功能的工程微芯片。科研人員根據(jù)需求，利用體外仿生技術(shù)，能夠在其中培養(yǎng)出高度仿生的人體器官功能單元，同時，在其中的微流控系統(tǒng)中搭建組織器官的微環(huán)境，從而重建器官和組織的結(jié)構(gòu)和功能，開展相關(guān)體外實驗。
三維細胞培養(yǎng)，在“毫末之上”建“高樓大廈”
之所以被稱為“器官芯片”，因為它的研制過程用到的正是芯片的加工、制造方法。
芯片制造相當于在“毫末之上”建“高樓大廈”，器官功能單元的結(jié)構(gòu)復雜性也不亞于“高樓大廈”。因此，與傳統(tǒng)2D靜態(tài)細胞培養(yǎng)方式相比，器官芯片能夠有序地將細胞組裝成特定組織結(jié)構(gòu)，模擬真實器官中的復雜三維結(jié)構(gòu)，盡可能1：1還原人體器官的三維狀態(tài)。
“傳統(tǒng)細胞技術(shù)能做的，它能做。一些不能做的，它也能做。”苗春光說。
就在這一小塊“方寸之間”，利用芯片加工技術(shù)，還能體外構(gòu)建包含有多種活體細胞、功能組織界面、生物流體和機械力刺激等眾多因素的組織器官環(huán)境。通過精確模擬細胞在體內(nèi)的生物化學環(huán)境等，能在器官芯片中精準重現(xiàn)人體器官真實的生理、病理活動以及機體各種生物學行為、反應等。同時，能對此進行高分辨率實時成像和體外分析。
駱華生物研發(fā)工程師劉亮亮告訴記者，器官芯片通體透明的材料就是為了便于觀察細胞的反應和狀態(tài)。而其中的各種通路還能作為工程血管系統(tǒng)，將實驗所需的特定流體輸送給細胞。此外，還能將熒光生物標記物等光學顯微鏡標記物輸送其中，從而監(jiān)測細胞的健康狀態(tài)及動態(tài)活動等。
“這里模擬的就是肝的基本單位——肝小葉在體內(nèi)的微環(huán)境。”劉亮亮拿起一塊“肝芯片”說道，首先我們在其中培養(yǎng)出了與人體中一樣的，呈正六邊形結(jié)構(gòu)的肝小葉細胞。同時，通過通路設(shè)計等，模擬出該細胞“兩進一出”的物質(zhì)代謝特征，從而重現(xiàn)了肝基本功能單位的正常運行模式。
為新藥開發(fā)、精準醫(yī)療提供新路徑
器官芯片究竟有何作用？
“新藥研發(fā)是一個耗資、耗時以及失敗率都極高的工程。”劉亮亮表示，器官芯片可以通過替代動物實驗，加速創(chuàng)新藥物的開發(fā)。
劉亮亮介紹，雖然動物模型在新藥開發(fā)等醫(yī)療領(lǐng)域有著巨大貢獻，但研究人員早已意識到，動物和人類研究之間頻繁出現(xiàn)的不一致性，并且這種方式往往要耗費極高的成本。
而更準確、更高效、低成本，成為了器官芯片的核心優(yōu)勢。
“器官芯片具有接近人體水平的生理功能，在進行藥物吸收、代謝及毒性等方面的實驗有著極大優(yōu)勢，能得到更準確的藥物測試數(shù)據(jù)，從而提高效率，節(jié)省成本。”劉亮亮介紹，不同于動物實驗需要漫長的時間與較大的資金投入，通常情況下，器官芯片從設(shè)計、細胞培養(yǎng)到出廠使用，只需要一周左右的時間，成本也相對較低。
不僅如此，由于動物和人存在種屬差異，隨著醫(yī)療技術(shù)的進步，如今不少藥物研制的需求動物實驗已完全無法滿足。“比如動物基本是不會得痛風這個病的，所以很難用其開展該類型藥物研究，而器官芯片可以模擬更多疾病模型。此外，還可以讓多個器官芯片相互鏈接，模擬出更復雜的人體內(nèi)臟環(huán)境，觀察藥物對復雜環(huán)境的數(shù)據(jù)。”
在醫(yī)療端，器官芯片還可成為患者的“替身”。“我們能夠提取病人的手術(shù)組織樣本，比如腫瘤，來進行體外培養(yǎng)，再通過體外試驗進行藥物篩選等，為病人找到更好的個性化治療方案，精準醫(yī)療。”劉亮亮介紹。
此外，研究人員通過精確控制多個系統(tǒng)參數(shù)，還可利用器官芯片更加直觀地研究機體行為，預測或再現(xiàn)毒素、輻射、香煙煙霧、病原體和正常微生物組等給人體帶來的影響。這在生命科學研究、生產(chǎn)安全等領(lǐng)域也能發(fā)揮重要作用。
力爭讓先進生命科學技術(shù)造福更多人
2019年，中國科學技術(shù)大學科研團隊發(fā)起成立安徽駱華生物科技有限公司，希望把實驗室的技術(shù)轉(zhuǎn)化成實際中的應用。如今，企業(yè)已經(jīng)授權(quán)19項實用新型授權(quán)專利，申請15項發(fā)明專利，獲得中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽優(yōu)秀企業(yè)獎等眾多榮譽。
“在器官芯片這一技術(shù)領(lǐng)域，目前，我們已經(jīng)做到國際領(lǐng)先，曾研制出世界首款雙血供的單肝小葉肝芯片等。”苗春光介紹，最大的技術(shù)難點就在芯片的設(shè)計和加工以及體外三維類器官構(gòu)建上。
“博士畢業(yè)后在導師的幫助下我們成立了這家企業(yè)，創(chuàng)業(yè)之初的5個人都來自科大。”苗春光回憶，幾年來，公司規(guī)模從最初5人發(fā)展至如今的80人，場地也從最初200平方米的出租屋，發(fā)展成如今包含工廠、實驗室、辦公室等的4000平方米綜合性辦公區(qū)域。
苗春光介紹，器官芯片涉及學科和技術(shù)十分廣泛，包括生物醫(yī)學工程、化學、新材料、力學、電子學等，合肥的人才資源和創(chuàng)新基礎(chǔ)給他們提供了巨大發(fā)展動能。創(chuàng)業(yè)過程中，在政策、資金、用地、市場等方面，合肥市、高新區(qū)也給予著持續(xù)的幫助。
就在今年2月，合肥又成立了生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)協(xié)會，集聚了安科生物、歐普康視、智飛龍科馬等百余家生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)企業(yè)，“架橋鋪路”，幫助各企業(yè)在產(chǎn)業(yè)合作上深層次推進，以合力推動產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，駱華生物也在其中。
“這是又一個很好的發(fā)展機遇。”苗春光說，產(chǎn)業(yè)協(xié)會將能幫助他們與相關(guān)科研機構(gòu)、配套企業(yè)、醫(yī)療機構(gòu)等整個上下游生態(tài)鏈充分對接，找到更多合作機會。與此同時，駱華生物也將把自身的技術(shù)平臺向更多企業(yè)開放。“很多企業(yè)都是做創(chuàng)新藥物研制的，我們可以幫助大家解決藥物實驗模型構(gòu)建等難題，為他們提供良好的技術(shù)支撐。”
苗春光介紹，目前，團隊已與中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院、安徽醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院、安徽中醫(yī)藥大學等30多家省內(nèi)外高校院所、醫(yī)療機構(gòu)建立了合作，他們研制的器官芯片也已經(jīng)真正走進了應用場。“希望通過我們的努力，讓國內(nèi)器官芯片技術(shù)水平不斷向前進，讓先進的生命科學技術(shù)造福更多人。”
（合肥通客戶端-合報全媒體記者 劉暢司晨/文 楊鋒/攝）