以“芯片”為地基，用細胞做“磚瓦”，流動的“血管”、跳動的“心臟”、呼吸的“肺”……一系列微型器官在方寸之地生長并運行。這不是科幻片中的場景，而是即將改變你我生活的器官芯片。
把細胞“種”在芯片上
通常而言，我們談到的芯片指硅基芯片，是以半導體硅為基底制造的微型電子電路，可以高效處理二進制信息，實現復雜的計算任務。
在醫學研究領域有一種新型“芯片”，電子線路被流體流動的通道取代，由干細胞、生物材料、納米加工等技術交叉集成。研究人員借鑒計算機芯片的制造方法，注入某一人體目標器官細胞，利用不同的通道輸入氧氣、培養液等，營造出接近體內的生長環境，搭建出一個個迷你器官。
與電子芯片的物理形態和制作工藝類似，器官芯片通常也是在微小透明薄片上“雕刻”出通道和腔室，研究人員利用微流控技術在微管道里精準操控微小流體；與電子芯片的設計理念和集成度類似，器官芯片也能在方寸之間集成多種復雜器官功能；與電子芯片的標準化、模塊化、高通量特性類似，不同芯片可模擬不同器官，甚至可以像多個電子芯片模塊化組成“人體芯片”，進行藥物高通量研發測試。因此，器官芯片可以說是對芯片概念的延伸。
2009年前后，第一個功能齊全的器官芯片——“肺芯片”在美國問世。在中國，東南大學蘇州醫療器械研究院院長顧忠澤帶領團隊研究器官芯片已十余年。他介紹說，器官芯片可以模擬人體不同組織器官的主要結構功能特征以及復雜的聯系，用來預測人體對藥物或外界刺激產生的反應。
器官芯片主體由高分子材料構成，透明且輕盈，這一特性便于光學觀察。芯片內部大多是紅、藍兩條通道，便于區分和直觀表現氧氣和培養液等流體，液體流經被注入的器官細胞核組織時就像在活體器官中流動一樣，用來模擬血液流經微血管的變化。其實除了紅、藍通道外，芯片內也可以分布多條“微通道”與“微腔室”來模擬更為復雜的生理環境。當芯片接入動力裝置，通過人為控制電、熱、生化等環境，就可以用來測試藥物的有效性和安全性，進行疾病和藥理研究。
東南大學研發的可變色“心臟芯片”。新華社記者孫參攝
更貼近人源的“替代方案”
長期以來，動物實驗被默認為進行藥物毒性、安全性和藥物代謝動力學實驗的基礎實驗環節，也是藥品從研發走向市場的必要環節。
盡管以小鼠為代表的動物和人在基因組上具有一定相似性，但普遍認為只有在非人靈長類動物（猴類）的測試中取得了安全性和有效性的測試才最接近人的安全。動物模型與人類生物系統存在藥物基因組以及遺傳多樣性差異，基于動物的實驗難以真實模擬人類生理結構和功能。
無論是從科學研究的準確性，還是從“去動物化”的人道主義關懷角度，單純動物醫學實驗難以滿足研發需求，成本更低、更高效、更具倫理接受度的替代方案正成為行業呼聲。器官芯片的誕生為解決現存問題提供了新思路，有望成為替代動物的新方案。
首先，相較于動物模型，源于人體細胞組織的器官芯片高度模擬人體器官的結構和功能，有效解決了種屬差異的問題，基因表達更還原人體結構。并且，器官芯片更貼近體內環境，能為藥物測試和疾病診斷提供更具參考價值的生理數據。人體器官芯片發明者、哈佛大學生物啟發工程懷斯研究所所長唐納德·英格伯曾以肝臟芯片為例進行研究，結果顯示，在預測藥物誘導的肝損傷反應方面，肝臟芯片的準確性比動物高出7至8倍。
其次，器官芯片具備高通量類器官培養和藥物篩選的獨特能力。所謂高通量是指在一定時間內處理、傳輸或生成大規模數據的能力。高通量器官芯片能集成多個單一器官芯片實現大量數據篩選，減少樣本與試劑用量，大幅提升效率。有數據顯示，使用高通量的器官芯片做分析，300塊就可以輕松完成一萬次檢測，可以替代一萬只動物。高通量器官芯片大幅縮短檢測周期，以100個化合物為例，使用動物模型，檢測周期是90至180天，使用高通量器官芯片只需6天。同時，作為誕生在生物學工程學交叉領域的創新應用，高通量器官芯片還可以配合AI數據分析，更精準發現藥物靶點，在藥物研發中實現快速設計、驗證與迭代。
以“芯”試藥打破“雙十定律”
藥物研發存在一條著名的“雙十定律”，即新藥研發需要花費10多年時間、平均研發成本超過10億美元。美國塔夫茨大學藥物開發研究中心的統計數據顯示，每個新藥進入市場的平均成本約為26億美元，從首次合成到上市平均耗時128個月。
深圳逸芯生命科學有限公司是中國從事器官芯片技術的前沿企業之一，創始人劉杰表示，相對于動物模型，器官芯片成本只有10%至20%，被認為是最有可能作為體外疾病模型指導新藥開發的前沿技術之一，在準確性、時間、成本上具有明顯優勢。
除了節約時間與金錢成本，體外器官芯片還可以作為替身為患者試藥，在藥物測試方面具有明顯優勢。眾所周知，腫瘤藥物對人體的毒副作用較大，但借助器官芯片，可以把腫瘤患者的細胞“種”到芯片上，通過體外作用藥測試，在不傷害患者的前提下精準監測藥物的有效性和安全性，從而為臨床精準醫療提供保障。
除此之外，器官芯片還是對現有藥物研發體系的補充，以往藥物正式上市前需要大量的臨床前和臨床研究，周期長成本高，而器官芯片在臨床前就可以排除“錯誤答案”，大大縮短了研發周期、降低了研發成本。
器官芯片不僅是生物醫學的突破，更是多學科集成創新的結晶。全球細分行業調研機構恒州博智（QYResearch）發布報告，預計2024年至2030年，全球器官芯片市場年復合增長率為31.2%。
盡管面向藍海，但新技術的推廣并非坦途，從科學實驗到實際應用仍有一段路要走。