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银丰生命延续计划科研体系蓝图发布
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现实版“阿凡达”来了!科学家造出芯片人体器官

发布时间:

2023-08-25

在医学研究的实验室里,我们经常会见到小白鼠、兔子或青蛙等小动物,它们作为动物模型成为实验、试药甚至是解剖对象,为人类的医学研究付出巨大牺牲。

然而动物模型与人类存在着相当大的差距,以人体作为病理研究的对象严重违背了医学伦理。两难之下,科学家在不断寻找新的出路。利用人类诱导多能干细胞(iPSC)衍生的人类“类器官”,为全球医学工作者送来了福音,其中更新、更复杂的类器官——创新器官芯片技术(Organs-on-chips,OoCs)将类器官技术的应用空间拓宽到极为广阔的地步。

细胞“住客”搬进“迷你楼宇”

电影《阿凡达》讲述了人类为获得遥远的潘多拉星球的资源,将人类与纳美人(潘多拉星球土著)DNA混血,培养出身受人类意识控制的阿凡达,派往潘多拉星球做卧底的故事。科幻电影里的玄幻情节,在生物学领域被科学家变成现实。在科学家的实验室内,器官芯片正在成为迷你“阿凡达”,将“替身”试药变为现实,助力新药研发、精准医疗。

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和手机用的硅基芯片不同,器官芯片是碳基芯片,是‘活’的。一个U盘大小的透明芯片上,“流动”着薄膜、导管,微缩版的人体器官在方寸间生长,叫人直呼神奇。

这是研究人员通过微流控、微加工、干细胞、材料和生物组织工程等技术门类的交叉融合,构建体外微缩人体器官模型的奇迹,而整个过程的核心是利用计算机微芯片构建和模拟人体组织微环境。

借助细胞培养、3D打印、微流控等技术,盖出模拟人体环境的“迷你楼宇”,辅以氧气、二氧化碳、培养基等微环境,再植入不同的细胞“住客”,模拟出跳动的心脏、呼吸的肺、流动的血管……

目前我国科学家已成功构建了肿瘤、皮肤、心脏、血管等多种器官芯片,日本、德国、美国的科研人员分别构建出肝芽、迷你肾和微型大脑,使该领域获得了国际的广泛关注。

芯片替代动物,为新药研发提供完美的受试者

在新药研发领域有一个著名的“双十定律”,指的是一款创新药从研发到上市,平均成本超过十亿美元、研发周期大于十年。传统药物研发模式,不仅耗时耗力,而且失败率极高,业内形象将新药研发比喻成“赌石”。

器官芯片的横空出世,为新药研发带来突破口。药物研发前期通常要做动物实验,虽然猴子跟人的相似度接近90%、小鼠大约有70%-80%,但不同种群之间的差异,导致当实验推进到人类临床阶段,会发现动物模型验证的内容在人体并不完全奏效。

这种模拟的精度和可控性都要明显优于动物实验,它消弭了人体和动物体之间的种属差异,可以尽可能准确而透彻地评估不同药物的代谢产物、对人体的毒性,助力实验效率大大提升。

迷你“阿凡达”,打造“人体替身”

除了新药研发,器官芯片打造出一个个的现实版阿凡达“人体替身”,还可以为肿瘤病人提供精准治疗方案。

肿瘤病人的生存期相对比较短,即使治疗指南中有很多药物可以选用,但最终的用药只能依据医生的经验进行,往往药物无效后,病人的身体状况可能已没有新的用药机会。但是器官芯片具有人源性、高通量、低成本的特性,针对肿瘤病人可以在体外2-3周内培养出与病人同源的病理模型,一次性完成几十个药物7个浓度的实验,可为医生针对具体病人提供精准治疗方案参考。

展望未来,器官芯片将逐渐替代动物实验,人类的健康状态甚至可以在“阿凡达”替身上预演,从而获得健康预警,方便医生制订个性化治疗方案。

随着各种新型类器官培养成功,医学界还将眼光投向了肝胆以外的组织器官,大脑、皮肤、胰岛等难觅移植源的器官,该研究在生物医学和再生医学领域具有广阔的应用前景,但距离大规模临床应用还有一段路要走。

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