成長中的技術：如何用“芯片”打開精準醫療的想象空間？

圖片來源：圖蟲創意

文 | 顏璇

來源 | 智能相對論（ID：aixdlun）

隨著AI技術的發展，“個性化醫療”在近年來頻頻被提起，“個性化”象征的“精準”“高效”“智慧”使其成為改變醫療行業現狀的有效切入點。比如智能導診與患者實現互動，智能監測設備幫助進行醫療服務的追蹤和個性化定制等。那么，個性化醫療只能被AI醫療產品定義嗎？恐怕不然。今天，智能相對論（aixdlun）就想跟大家聊聊另一層意義上的個性化醫療技術——“器官芯片”。

化整為零，真正的“個性化”醫療

說起個性化醫療，我們腦海中首先想到的就是基因醫療，也就是以個人基因組信息為基礎，結合相關內環境信息，為病人量身設計出最佳治療方案的一種定制醫療模式。

基因檢測和治療固然能為個性化醫療提供基礎，目前也有通過基因檢測發現癌癥、糖尿病，進而采取精準醫療手段延緩病情的案例，但是，從基因醫療的發展進程來看，除少數疾病外，基因與疾病的關聯性難以確定，比如“漸凍癥”（ALS），數據顯示，僅有少部分ALS與基因缺陷相關，而90%的散發性案例發病原因仍是未解之謎。

所以，將人體的整個基因程序列入個性化醫療的參考之列，其實是不太靠譜的。這時，器官芯片的出現給了人們新的參考指標。

“器官芯片”這個概念由來已久，在2016年就被達沃斯論壇列為“十大新興技術”之一。根據中國科學院院刊的說法，器官芯片，指的是一種在芯片上構建的器官生理微系統，它以微流控芯片為核心,通過與細胞生物學、生物材料和工程學等多種方法相結合,可以在體外模擬構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復雜因素的組織器官微環境,，反映人體組織器官的主要結構和功能體征。

簡單來說，就是在體外構建一個人體內生物學組織器官的簡化版本，只保留器官功能和人體病理生物學的特征。“器官芯片”于個性化醫療的意義在于，將人體化整為零，把對“人體”精確的診斷改換成對“器官”的精確診斷，提供更有效、更有針對性的治療。

通過利用患者來源干細胞，實現誘導多能干細胞來源器官模型的工程化構建，使個體化的疾病風險預測、藥物藥效評價、毒理評估和預后分析更加準確。目前，也有科學家利用特定病人的干細胞，構建功能性心臟組織，模擬累遺傳性心臟病模型。

除了實現對人類的個性化醫療，器官芯片還有一個明顯的好處，便是藥物測試。這一點，對動物試驗的改變將是革命性的。

一直以來，人們都是通過動物來試藥，暫且不論用動物做藥物測試是否人道。從實驗準確性的角度來講，盡管動物與人類共享的基因比例高達99%，但剩下的1%，仍然會造成極大的變量，從而導致兩個物種之間產生巨大的生理差異。同一種藥物，在動物體內和人體內的反應可能是截然不同的。即便是極小的表達差異，也會隨著藥物研發進程的推進而被不斷放大，最終導致整個項目的失敗。

“器官芯片”因為更接近人體，能夠更加有效地用于藥物測試，10月11日，《科學進展》上就報告了一種在微流控芯片上制作神經元和肌肉組織的3D方法，借助這種芯片，科學家可以替“漸凍人”試新藥。

仿真性、成本、連接……器官芯片要面臨的問題

器官芯片的概念提出已久，產業化的進程卻十分緩慢，探究其中原因，大致可以分為三點。

首先，即使是最先進的器官芯片，也無法完全代表活體器官的功能。畢竟，所有的器官都不可能脫離機體單獨存在。雖然化整為零具有建設性的意義，但整體大于部分，僅依靠器官芯片是無法復制疾病機體的，尤其是內分泌環境所導致一系列功能變化。

因此，我們必須考慮人體這個整體的關聯性，在這方面，我們可以利用單個芯片組成一個高集成度的3D組織器官微流控芯片系統。大連理工大學的研究團隊就研發出了這樣的芯片系統，該芯片系統由多種模塊自上而下依次疊加構成，集成了腸、血管、肝、腫瘤、心、肺、肌肉和腎等細胞或組織，并有“消化液”,“血液”和“尿液”貫穿其中。如此，器官芯片就像一個積木，將所有的積木堆積起來，就能最大程度地打造一個“人體建筑”，還原人體內功能環境，并實現藥物測試等作用。

其次，器官芯片仍是一個成長中的技術，產業鏈的不成熟將導致成本增加。Oxford的CNBio公司用裝有12個微型肝臟的芯片做藥物的毒性試驗，目前一個單元的價格是22000，單位是美元。事實上，這個價格比起動物試驗已經低廉很多，要知道，做同樣的試驗,小鼠的價格為$50000美元。

但是，這所謂的“低廉”放在產業化進程中，依舊是要打上問號的。目前來看，器官芯片在科研上使用居多，而科研經費也足夠支撐該類工具的使用，但我們對器官芯片更大的希冀是落地于普通人的醫療，如果器官芯片要走向產業化，仍需要控制成本。當然，隨著產業鏈的完善，其優勢會慢慢凸顯出來，成本問題也會得到相應的解決。

在此之前，我們或許可以將3D打印技術作為器官芯片制作方法的重要補充。3D打印技術至少會在兩個方面對器官芯片造成影響，一是芯片制備，二是生物打印。尤其在芯片制備上，3D打印已經能夠制造出有很高分辨率，結構復雜的芯片，還具備制作周期短，單元操作簡單、成本低廉的優點，哈佛大學Wyss生物工程研究所和哈佛JohnA.Paulson工程和應用科學院的研究人員就利用3D打印制造出了首個完整的帶集成傳感系統的器官芯片。

最后，微流控芯片普遍存在有一個問題，即宏觀試樣與微芯片的銜接不易。目前，芯片上的進樣多采用手工完成，效率低下，可靠性也較差，極容易影響細胞的活力，進而影響細胞進程和生物特征的實時檢測，因此，我們還需要研發出更多的協助性產品，比如連續進樣系統，保證在制備上做到自動化、微型化和集成化。

結論：

個性化醫療發展至今，已經積累了許多的技術成果。隨著技術的不斷發展，我們對“個性化”“精準”也提出了更多的要求，器官芯片之于人類的意義，在于人們可以真正地“對癥下藥”，而不去“損傷”其他的組織器官。隨著人們研究的深入，器官芯片技術必將廣泛應用于生命科學、醫學、藥學等領域的研究中，為個性化醫療帶來更多可能。

【完】

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