科普：小小芯片可模拟复杂器官（organs-on-chips）

说到芯片，大多数人联想到电脑、手机这样的数码产品，但其实芯片的应用范围远比我们想象的要更广泛。目前，最热门的研究要数芯片对生命健康研究的贡献——器官芯片（organs-on-chips）。

在制药和疗法的开发过程中，临床研究一般需要花费数年的时间才能完成，而且新药测试可能要花费几十亿美元。同时，由于传统的动物模型通常不能百分百地模仿人类的病理情况，动物实验常常无法预测人类的反应。因此，器官芯片就提供了一种在体外模拟人类疾病的替代方法。

l 什么是器官芯片？

在过去的几年中，为了减少动物实验，也是为了降低新药的临床失败率，科学家们对构建体外模型给予了极大的关注。如今，培养皿中生长的简单二维培养物已经可以被具有三维结构的器官型培养物所取代。而最先进的微工程技术已经可以将小型芯片设备整合到3D培养模型中，以重现建模器官的复杂微环境。

器官芯片旨在准确地重现自然生理和细胞在人体中的作用。芯片上排列着活的人体细胞能在微小的流体通道内繁殖、流动，就像人类的身体一样。这种灵活性使芯片能够重现每一个呼吸动作，或肌肉收缩。另外，芯片的透明度使科学家能更清楚地看到器官在细胞和分子水平上的功能，行为和响应。

l 器官芯片有哪些优点？

药物研发的过程被称为“九死一生”的冒险，因为新药的临床失败率高达95%。对于小型制药企业而言，新药研发失败甚至可能是一场灭顶之灾。因此，开发更准确和更生理相关的体外模型非常有必要，也非常紧迫。

药物测试过程中的高失败率，部分是由于动物模型并不总是能预测人类状况这样一种事实。而且，动物模型的试验过程非常昂贵且费时。而从经济的角度来看，器官芯片能更快地完成分析工作，最终降低药物测试的时间和金钱成本。

此外，通过利用人类细胞可以产生更高的精度。器官芯片，这种微工程化细胞培养模型完全使用人体细胞，模拟人体细胞组织间的交互，可以实现小型化和自动化分析，从而提高分离度和精度。

l 关于器官芯片的最新研究

由于物种差异，像新冠（COVID-19）这样的传染病很难在动物模型中进行研究，而传统的基于细胞的2D或3D模型通常缺乏人类免疫反应中各种类型的细胞之间相互作用的复杂性。此时，器官芯片便可以为新冠研究“雪中送炭”。

目前，加拿大国家研究委员会的研究团队已经和多伦多大学合作创建了鼻子，嘴巴，眼睛和肺部的多器官芯片模型，以便科学家可以详细了解新冠病毒的感染方式。该团队表示：“这种方法使我们可以在病毒感染的早期就进行相关研究。你无法对人类进行这样的操作，因为一旦我们了解到自己感染了新冠病毒，那就至少感染两周了。而借助器官芯片，我们可以研究新冠病毒进入人体后24小时内发生的情况。”

随着研究的深入，器官芯片的应用还将进一步扩大，从药物测试、药理学、病理学，延伸到到化妆品工业等。最终，甚至有可能在芯片上创建类似于人体的一整套系统，更加准确的模拟人体的各项反应。