一项大胆的人体研究计划：器官也能集成到芯片上？

相传，“药王神”神农氏为了给老百姓消灾祛病，决心尝百草，定药性。神农氏遍尝百草，多次中毒，最终因尝试断肠草而离世。不要以为这种事情只发生在神话里，大名鼎鼎的Barry Marshall干过更“出格”的事情。Marshall为了研究幽门螺旋杆菌的致病性，竟一口气喝下一试管的幽门螺旋杆菌。最终，5天之后，他的目的达到了，差点因此病死。后来，他因为研究幽门螺旋杆菌的贡献，获得了2005年的诺贝尔生理医学奖。

那些Marshall们之所以“舍得一身剐，喝毒试药连眼睛都不眨”，就是因为那个时候技术落后，或者没有合适的研究模型。后来，由于以身试毒实在是太危险，就抓来小白鼠啊、猴子啊等，让它们去顶包“尝百药”。同时，为了研究新药对人体的影响，科学家开始在培养皿里培养人体细胞，看看这些新药对人体细胞是不是有毒副作用。那些新药只有过了这两关，才可以进入人体临床试验。

但是小鼠和人类离体细胞并不能替人类把好试药的大门。据统计，进入临床试验的新药，通过临床I期和III期的概率约为60%，通过临床II期的概率仅为30%，这样一来能够顺利通过三期临床试验的药物仅有10.8%。那些在临床上被KO掉的新药，主要是因为疗效不好，甚至是对人体有毒副作用。

90%的新药都要被KO掉，这是多么巨大的浪费。据统计，现在一种新药面市，平均研发费用竟高达10亿美元，历时长达8-14年。必须找到一种更加迅速、有效的临床前实验方法,缩短药物研发周期，降低研发费用。

人体器官芯片研发计划

为了解决这一难题，2012年美国国立卫生研究中心（NIH）、美国食品和药物管理局（FDA）和美国国防部高级研究计划局（DARPA）联合发起“organs-on-chips”（人体器官芯片）的研发工作，计划投入7500万美元。

再来看看参与研发团队的阵容：哥伦比亚大学、康奈尔大学、杜克大学、哈佛大学、霍普金斯大学、麻省理工大学、威斯康星大学、加州大学、华盛顿大学、范德堡大学、德克萨斯大学、匹兹堡大学、宾夕法尼亚大学等十余所美国高校。

这个“organs-on-chips”到底是个什么技术，竟牵动了这么多顶级机构的心？

下面我们就拿走在前沿的哈佛大学Wyss研究所的创新性工作，详解“organs-on-chips”技术。

在新药的临床前实验中，使用小白鼠模型能够了解新药对整体的影响，但不能很好的反应新药对人体的影响；使用体外培养的人体细胞，能够了解新药对人体的影响，却又缺乏整体的把握。因此，早在10多年前，康奈尔大学的Mike Shuler首次提出了，用人体不同器官的细胞在芯片上构建人体组织，模拟人体环境的设想。

以Wyss研究所开发的肺芯片，详解芯片的基本结构

Wyss研究所使用了制作计算机芯片的技术，将活的人体器官细胞植入到芯片上，同时芯片可以模拟细胞在人体内的环境。在芯片的槽道中有三个并列的流体通道，两边的通道是真空通道，中间的通道是植入细胞的通道。

在中间通道的正中间有一层有透性的生物膜，薄膜上布满小孔。在薄膜的上面铺满一层肺细胞，薄膜的另一面铺满血管细胞。因此，薄膜上面可以流通空气，下面可以流通血液。另外，两侧的真空通道可以收缩，同时带动中间的通道一同收缩，于是肺细胞也跟着收缩，这就模拟了人体肺泡在呼吸过程中的收缩生理过程。

人体芯片的结构

那么它的工作原理是什么？

Wyss研究所用白细胞抵御细菌入侵，详细的解释了肺芯片在科研中的应用。

人体芯片的工作原理

当我们要模拟肺部感染的时候，我们可以在铺有肺细胞的上层通道释放病原菌；然后在下层通道里加入人体白细胞。当白细胞感觉到病原菌侵入时，它们会从血液中进入肺部，吞噬病原菌。如果你要整个免疫过程是可视化的，你可以对白细胞进行标记，然后你就可以在显微镜下看到白细胞在血道中穿梭，然后穿过薄膜上的小孔，吞噬侵染肺细胞的病原菌（被绿色标记）。如此一来，整个研究过程就变得可视化了。

有没有觉得这项技术很神奇。当然，上面所描述的人体免疫过程只是其中一方面的应用。Wyss研究所的科学家们显然对此并不满足，现在他们已经开发出了多款器官芯片。并期望通过这项技术可以深入的了解药品、化学物质、食物甚至是化妆品对人体的影响。

目前Wyss研究所的科学家已经组建了一家专门研究人体器官芯片的公司——Emulate Inc。这家公司创立之初便获得DARPA的3700万美元的拨款，以及1200万美元的A轮融资。除了肺之外，他们已经开发出了肠、肝、肾的芯片，以及皮肤、眼睛和血脑屏障系统。

目前，模拟人体芯片的用途广泛。例如：了解新药靶标的生物机制，为疾病的研究提供新的视角，预测新药的有效性和安全性，探索物种的差异性和意外的临床表现，减少、精细化以及取代动物试验，临床诊断的发展，个性化医疗的应用等。

目前Emulate公司的研究团队正在研发一项大胆的人体研究计划。他们要为个人定制器官芯片。这一项研究极有可能彻底改变我们了解自己身体的方式。

最终的芯片应该是这样的，把所有的人体器官都集成到一张芯片上，这样就可以全面了解新药对人体重要器官的影响。

更多内容请看Emulate公司CSO Geraldine Hamilton在Ted的演讲视频。
芯片上的人体部位

作者：周伦，转载请标明：本文为奇点原创文章（公众号：geekheal_com）