本文最初转载自 The Conversation。
将新药推向市场需要花费数十亿美元，并可能花费十多年时间。这些高昂的资金和时间投入，既是当今医疗保健成本飙升的重要因素，也是向患者提供新疗法的重大障碍。造成这些障碍的一个主要原因是研究人员最初用于开发药物的实验室模型。
临床前试验，即在药物进入人体临床试验之前测试其疗效和毒性的研究，主要在细胞培养物和动物身上进行。两者都受到其难以模仿人体条件的限制。培养皿中的细胞培养物无法复制组织功能的各个方面，例如细胞在体内的相互作用或活体器官的动态。动物并非人类——即使是物种之间微小的基因差异，也可能放大为重大的生理差异。
用于癌症疗法的成功动物研究中，只有不到8%能够进入人体临床试验。由于动物模型往往无法预测药物在人体临床试验中的效果，这些后期失败会极大地推高成本并增加患者的健康风险。
为了解决这种“翻译”问题，研究人员一直在开发一种有前途的模型，该模型可以更精确地模拟人体——“芯片上的器官”。
作为一名分析化学家，我一直在致力于开发可以避免普通细胞培养物简单性和动物模型差异性的器官和组织模型。我相信，通过进一步发展，“芯片上的器官”可以帮助研究人员在更接近真实生活的条件下研究疾病和测试药物。
什么是“芯片上的器官”？
在20世纪90年代末，研究人员找到了一种层叠弹性聚合物的方法，可以在微观层面控制和检查流体。这开启了微流控技术领域，对于生物医学来说，它涉及使用可以模拟人体内流体动态流动的设备，例如血液。
微流控技术的进步为研究人员提供了一个平台，可以培养更接近人体内功能的细胞，特别是通过“芯片上的器官”。这里的“芯片”指的是封装细胞的微流控设备。它们通常使用与计算机芯片相同的技术制造。
“芯片上的器官”不仅能模拟人体的血流，这些平台还具有微腔室，允许研究人员整合多种类型的细胞，以模拟器官中通常存在的各种细胞类型。流体流动连接了这些多种细胞类型，使得研究人员能够研究它们之间的相互作用。
该技术可以通过多种方式克服静态细胞培养和动物研究的局限性。首先，模型中流体的存在使其能够模拟细胞在体内的体验，例如如何接收营养和排出废物，以及药物如何在血液中移动并与多种细胞类型相互作用。控制流体流动能力还使研究人员能够微调特定药物的最佳剂量。
例如，“芯片上的肺”模型能够整合活体人体肺部的机械和物理特性。它能够模拟肺部的扩张和收缩，即吸气和呼气，并模拟肺部与空气的界面。复制这些特性的能力使研究人员能够更好地研究不同因素造成的肺部损伤。
将“芯片上的器官”规模化
虽然“芯片上的器官”技术正在推动早期药物研究的边界，但该技术尚未广泛整合到药物开发流程中。我认为其广泛采用的一个核心障碍是其高度复杂性和低实用性。
目前的“芯片上的器官”模型对于普通科学家来说很难使用。此外，由于大多数模型都是一次性的，并且只有一个输入，这限制了研究人员在给定时间可以研究的内容，因此它们的实施成本高昂，且耗时费力。使用这些模型所需的高昂投资可能会削弱采纳的积极性。毕竟，研究人员通常会使用最简单的模型进行临床前研究，以节省时间和成本。
降低制造和使用“芯片上的器官”的技术门槛，对于让整个研究界充分利用其优势至关重要。但这不一定需要简化模型。例如，我的实验室设计了各种“即插即用”的组织芯片，这些芯片是标准化的、模块化的，允许研究人员轻松组装预制部件来运行他们的实验。
此外，3D打印的出现极大地促进了“芯片上的器官”的发展，使得研究人员能够直接在芯片上制造整个组织和器官模型。3D打印非常适合快速原型设计和用户之间的设计共享，并且还易于大规模生产标准化材料。
我相信“芯片上的器官”具有促进药物发现突破的潜力，并能帮助研究人员更好地了解器官在健康和疾病中的功能。提高这项技术的易用性，可以帮助将其从实验室开发阶段推向生物医学行业的实际应用，并留下深刻印记。
程鹏陈，化学与生物化学助理教授，马里兰大学巴尔的摩分校。程鹏陈获得美国国立卫生研究院的资助。
