巴掌大小的芯片上能“长”出人体器官，你相信吗？

随着生物技术领域的快速发展，器官芯片已经成为生物医药领域关注的热点。作为一种可以模拟人体器官功能单元的微型细胞培养装置，器官芯片为生命科学和医药研究提供了一种崭新的模型系统。

近日，以“器官芯片与微生理系统”为主题的第770次香山科学会议在北京召开，专家围绕这一领域的发展现状、机遇和面临的挑战开展了深入研讨，并展望未来的发展趋势和重点突破的方向。

芯片上的器官

当前，生命科学、物质科学、医学和工程学等多领域的跨界融合，正孕育着新的生命科学和医药健康研究新范式。

由于人体系统器官结构具有多层次性、功能的多样性和状态的可变性，传统二维细胞和动物模型难以揭示疾病发生机理，预测人类对药物的真实反应。

“器官芯片技术的独特性在于，它融合了工程学与生物学策略，可以在体外仿生构建微生理系统，模拟体内微环境、组织器官交互作用以及人体对环境因素或药物作用的响应，为理解人体生物学，揭示复杂疾病机理和药物研发等提供了一种独特的研究工具。”会议执行主席之一、中国科学院大连化学物理研究所研究员秦建华表示。

然而，要想在芯片上模拟器官功能可不是件容易事。

“目前人体器官的复杂功能重塑与精准模拟是难点问题，是制约器官芯片技术构建更复杂、更可控的微生理系统的主要瓶颈之一。针对人体环境的内在复杂性，在器官功能重塑基础理论、精准模拟、模型算法等方面的关键科学问题尚待突破。”秦建华说，通过会聚生物学、材料学、医学工程和信息学等多个交叉学科，有望构建高度生理相关的人体微生理系统，为复杂生理、病理过程模拟和多场景应用提供科学基础，为未来技术升级和标准建立提供基础支撑。

开拓新空间

器官芯片与微生理系统是多学科融合的产物，本次会议上，相关专家围绕干细胞、类器官、生物3D打印、人工智能、替代毒理学等多个主题展开讨论。

类器官是一种新型体外3D器官模型，由干细胞或器官特异性前体细胞在体外形成的多细胞三维组织，为器官芯片提供具有丰富多细胞组分的“种子细胞”。

“作为在体外模拟组织或器官生理结构和功能的可再生模型，类器官已成为生命领域的热点。”中国科学院院士、南昌大学和清华大学教授陈晔光表示，其团队搭建了多种类器官模型，可以利用器官芯片将其连接起来，为系统性研究药物代谢与药效评估提供了新思路。

“器官芯片多学科协同，将加强类器官模型的成熟度、适用性、高效性及复杂性，促进更仿生、更具功能价值、更具系统整合作用的新技术发展。”陈晔光说，这为类器官工程化应用、器官体外功能重现和体内器官功能修复提供更多可能。

在中国科学院院士、昆明理工大学特聘教授季维智看来，器官芯片与微生理系统也成为灵长类研究新的研究工具。

“近年来类器官研究发展较快，其中类胚胎的报道较多。”季维智说，“然而，对于器官发生、发育的机制并不清楚，也无法构建类似体内的微循环系统，难以产生具有功能的类器官。器官芯片结合干细胞、类器官和实验动物等，形成闭环的器官芯片与微生理系统研究，可为胚胎发育研究提供新的范式。”

道阻且长

尽管全球器官芯片及微生理系统的研究和产业化一路“高歌猛进”，但距离真正实现药物研发的“降本增效”，还有很长的路要走。

中国科学院院士、南京大学医学院教授顾宁以泛血管疾病模型为例，介绍了该类疾病研究中的多器官关联问题。由于心脑血管疾病具有多器官、多系统的病理改变特征，对生命健康安全造成严重威胁，他提出建设“血管信息与健康工程”的系统设想，建议利用多器官关联模型解决其中科学问题。

然而，要想利用器官芯片技术真正攻克此类临床难题，解决新药研发投入大、周期长和失败率高等问题，还有许多关键技术问题亟需突破。

在深圳理工大学研究员张先恩看来，目前器官芯片技术距离大规模应用还有段距离，应更多聚焦于基础科学问题研究，究竟要做到“形态模拟”，还是要做到“功能模拟”，需要厘清思路。此外，在技术方面，要实现工程化集成还需要加大对生物传感技术的关注和整合研究。

“未来应加强与临床医学紧密结合，发挥核心技术优势，场景应用为驱动，推进器官芯片和微生理系统在重大疾病建模、机理研究和药物评价等方面的创新应用。”秦建华表示。

此外，不少专家认为，现阶段仍需以科学问题为导向，夯实器官芯片与微生理系统的基础科学和关键技术研究，加强系统设计与整合，在技术产业化、标准化、伦理和科学监管等方面，也需要多部门的协调支持和政策引导，共同促进该领域的健康发展和转化应用。